Numerische Untersuchung des Einflusses der Vorderkantenausführung auf die Start-Machzahl eines generischen Überschalllufteinlaufs

Abstract

Diese Master-Arbeit beleuchtet die Fragestellung, ob die Startmachzahl eines Überschalltriebwerkseinlaufs durch eine geeignete Vorderkantenausführung verringert werden kann. Um diese Frage zu beantworten, wurde eine stationäre, zweidimensionale, numerische Strömungssimulation durchgeführt. Das ausgewählte kompressible, RANS-Verfahren konnte durch aktuelle Versuchsergebnisse erfolgreich validiert werden. Darauf aufbauend wurde eine Parameterstudie hinsichtlich der Dicke der Vorderkante, deren Rampenwinkel und des Kontraktionsverhältnisses des Einlaufs durchgeführt. Die Untersuchungen zeigen, dass die Startmachzahl durch Variation dieser Größen beeinflusst werden kann. Eine Vergrößerung der Vorderkantendicke führt zu einem überproportionalen Anstieg der Startmachzahl. Der Rampenwinkel hat den gleichen Effekt und sollte demnach möglichst gering sein. Eine sehr dünne Kante mit einem erst stetig anwachsenden Rampenwinkel erwies sich in diesem Kontext als besonders geeignet. Ein höheres Kontraktionsverhältnis vergrößert die Startmachzahl über die Erwartungen hinaus. Zusätzlich fielen durch diese Untersuchungen besonders die starken Wechselwirkungen der Parameter mit der Diffusorgeometrie auf. Die Ergebnisse der Arbeit bestätigen das Potenzial von RANS-Simulationen bei den hier vorliegenden Randbedingungen, zeigen aber auch dessen Grenzen bei instationärem Verhalten der Strömung auf. This thesis seeks to ascertain whether the starting Mach number of a supersonic engine inlet can be reduced through a suitable leading edge design. To answer this question a stationary, two-dimensional, compressible, numerical RANS-simulation was implemented and successfully validated by experimental data. Afterwards a parameter study with respect to the leading edge thickness, ramp angle and the contraction ratio of the inlet was performed. The investigations showed that the starting Mach number can be reduced through a change in its size. An enlargement in the leading edge thickness leads to an over proportional increase in the starting Mach number. An increase of the ramp angle led to the same results and should be small as possible. In this context, a thin leading edge with a continual increase in the ramp angle proved to be suitable. A growth of the contraction ratio led to an unexpected higher starting Mach number. There appears to be an especially strong interaction between the parameters with the inlet’s geometry. The results confirm the potential of RANS simulations within the given boundary conditions. However, this study, also shows the limitations in relation to the unstable behavior of the flow.