Numerische Untersuchung von Transitionsmechanismen in hypersonischen Grenzschichten generischer Wiedereintrittsgeometrien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die drei Teilprojekte des Paketantrags haben sich zum Ziel gesetzt, die laminar-turbulente Transition an einer generischen Kapselkonfiguration unter Windkanalbedingungen und unter realen Wiedereintrittsbedingungen zu untersuchen. Dabei kamen theoretische, numerische und experimentelle Methoden zum Einsatz, um einerseits die dominanten Instabilitätsmechanismen in der kompressiblen, stark beschleunigten Hochenthalpiegrenzschicht an der Kapsel zu untersuchen, andererseits die Rolle von Störungen in der freien Anströmung, wie sie in Windkanälen typischerweise vorkommen, in die Betrachtung mit einzubeziehen. Ein Teil der Anstrengungen war der Messung und Zerlegung der Freistromstörungen in Schallund Entropieanteil gewidmet. TP1 und TP2A unternahmen Druck- und Wärmestromfluktuationsmessungen und analysierten diese hinsichtlich ihrer modalen Zerlegbarkeit in Schall und Entropiestörungen. Dabei sind die Transferfunktionen schlecht konditioniert und eine eindeutige Zerlegung ist somit nicht möglich. Starke und schwache Schallwellen können hierbei fehlinterpretiert werden und ein erhebliches Vorwissen hinsichtlich der Natur der vorliegenden Windkanalstörungen ist notwendig, um die Methode als Black-Box Verfahren anwenden zu können. Es lässt sich aber feststellen, dass die Schallwellen die dominierende Störungsart im HLB sind. Ein neu entwickeltes auf PSE basierendes Adjungierten-Optimierungsverfahren wurde auf die glatte Kapselgeometrie angewandt. Dabei zeigte sich erwartungsgemäß ein maximaler nichtmodaler Störenergiezuwachs im Staupunktbereich. Davon abgesehen treten die größten Energiezuwächse in der beschleunigten Grenzschicht im Bereich nahe der Schulter in schallnaher Strömung auf. DNS Rechnungen zur wirbelbehafteten Anströmung im Falle einer glatten Kapsel konnten noch keine direkte Übereinstimmung mit den entsprechenden Experimenten zeigen. Gemeinsame Untersuchungen der glatten Kapsel und deren potentiellen Instabilitätsmechanismen in der ersten Förderperiode zusammen mit den durchgeführten nicht-lokalen Stabilitätsuntersuchungen verschoben den Fokus der Untersuchungen zur laminar-turbulenten Transition an der Kapsel zu rauigkeitsinduzierten Mechanismen. Dazu wurden Einzelrauigkeiten, Rauigkeitsfelder sowie auch stochastische Rauigkeiten untersucht. Im HLB (TP2A) wurden Untersuchungen mit einem Rauigkeitsfeld quaderförmiger Einzelrauigkeiten durchgeführt. Untersuchungen an der zylindrischen Einzelrauigkeit lieferten eine qualitativ gute Übereinstimmung zwischen dem Experiment und den entsprechenden numerischen Simulationen. Die Anwendung von stabilitätstheoretischen Methoden auf den Nachlauf einer diskreten Einzelrauigkeit konnte zeigen, dass nichtlokale Verfahren (PSE-3D) einen deutlichen Vorteil bieten. Die mit dem erweiterten PSE-Verfahren bestimmten Instabilitätsmoden konnten im Experiment ebenfalls beobachtet werden. In TP2B wurde ein adjungiertes PSE-3D Verfahren entwickelt und mit Hilfe eines Optimierungsalgorithmus zur Bestimmung von optimalen Störungen herangezogen. Auch hier liegt der bestimmte maximale Energiezuwachs unterhalb dessen, was für eine laminar-turbulente Transition notwendig wäre. Die Untersuchungen eines Mikrorauigkeitsfeldes im Experiment (TP2A) und in der DNS (TP1) brachten den Nachweis, dass Störungen des Freistroms durch Wirbelstärke transitionsrelevant sind. Nur in Kombination von Mikrorauigkeitselementen an der Wand und Wirbelstärkestörungen in der freien Anströmung kann Transition beobachtet werden. Eine potentielle Interaktion wurde in der DNS von TP1 aufgezeigt. Die begleitenden theoretischen Untersuchungen zum optimalen transienten Wachstum lieferten keinen abschließenden Anfachungsmechanismus, der eine substantielle Störungsanfachung in der beschleunigten Kapselgrenzschicht bis hin zur vollendeten Transition erklären würde. Bei den Untersuchungen zur verteilten Rauigkeit konnte zwar transientes Wachstum durch Anwendung von PSE und DNS nachgewiesen werden, wobei die geringe Erstreckung stromab wie auch die geringen Anfachungsraten keine vollständige Transition hervorrufen kann. Ein Rauigkeitsfeld mit unterschiedlicher Anordnung der Rauigkeitsreihen - versetzt und in Reihe - intensiviert das Störungswachstum im Vergleich zur glatten Oberfläche ein wenig, bleibt aber immer noch weit unterhalb einer notwendigen Störungsanregung, die für die Transition notwendig wäre. Numerische Untersuchungen mit DNS an stochastisch verteilten Rauigkeiten konnten zeigen, dass ein querströmungsähnlicher Wirbel generiert wird, der unter Mitwirkungen von instationären Störungen in der Grenzschicht zur Transition führen kann. Die Untersuchungen unter kalten Windkanalbedingungen wurden durch numerische Untersuchungen unter Berücksichtigung von Hochtemperatureffekten unter realen Wiedereintrittsbedingungen komplementiert. Dabei wurden die Einflüsse der Dissoziation sowie von chemischen und thermischen Nichtgleichgewichtseffekten erfolgreich untersucht. Durch die Untersuchungen der beteiligten Projekte am Paketantrag konnten, insbesondere auch durch die hervorragende internationale Vernetzung in der Arbeitsgruppe AVT-240, Transitionsszenarien an der Wiedereintrittskapsel definitiv ausgeschlossen werden und mögliche Wege zu einer rauigkeitsinduzierten Transition aufgezeigt werden. Dabei konnte auch gezeigt werden, dass der Störhintergrund im Windkanal eine bedeutende Rolle spielt und für zukünftige Evaluationen der Transition an der Kapsel in seiner detaillierten Zusammensetzung mit einbezogen werden muss. Die erzielten Ergebnisse sind hierbei von großer Bedeutung für eine potentielle detailliertere Modellierung der Transition und der Definition zukünftiger Anforderungen an Projekte, die diese Transitionsmechanismen weiter untersuchen wollen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Analysis of acoustic and entropy disturbances in a hypersonic wind tunnel. Physics of Fluids, 28(5): 056104, 2016
T. Schilden, W. Schröder, S.R.C. Ali, A.-M. Schreyer, J. Wu, and R. Radespiel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4948435) - Wake flow instability studies behind discrete roughness elements on a generic re-entry capsule. AIAA Paper 2016-4382, 2016
A. Theiss, S. Hein, S. R. C. Ali, and R. Radespiel
(Siehe online unter https://doi.org/10.2514/6.2016-4382) - Disturbance Development in an Obstacle Wake in a Reacting Hypersonic Boundary Layer. J. Spacecraft and Rockets, 54(4):945–960, 2017
C. Stemmer, M. Birrer, and N. A. Adams
(Siehe online unter https://doi.org/10.2514/1.A33708) - Hypersonic Boundary-Layer Flow with an Obstacle in Thermochemical Equilibrium and Nonequilibrium. J. Spacecraft and Rockets, 54(4):899– 915, 2017
C. Stemmer, M. Birrer, and N. A. Adams
(Siehe online unter https://doi.org/10.2514/1.A32984) - Numerical analysis of high speed wind tunnel flow disturbance measurements using stagnation point probes. Journal of Fluid Mechanics, 833:247–273, 2017
T. Schilden and W. Schröder
(Siehe online unter https://doi.org/10.1017/jfm.2017.674) - Pressure gradient effects on wake flow instabilities behind isolated roughness elements on re-entry capsules. In 7th European Conference for Aeronautics and Aerospace Sciences (EUCASS), 2017
A. Theiss, S. Leyh, and S. Hein
- Crossflow-type vortex breakdown in a hypersonic re-entry capsule boundary-layer. Journal of Fluid Mechanics, 856:pp. 470–503, 2018
A. Di Giovanni and C. Stemmer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1017/jfm.2018.706) - Direct Numerical Simulation of roughness-induced transition in the boundary layer of a hypersonic spherical forebody under considertation of hightemperature gas effects. AIAA Paper 2018-4046, 2018
A. Di Giovanni, and C. Stemmer
(Siehe online unter https://doi.org/10.2514/6.2018-4046) - Experimental Investigations of Roughness Effects on Transition on Blunt Spherical Capsule Shapes. AIAA Paper 2018-0059, 2018
R. Radespiel, S. R. Ali, R. D. Bowersox, A. Leidy, H. Tanno, L. C. Kirk, and E. Reshotko
(Siehe online unter https://doi.org/10.2514/6.2018-0059) - Numerical Investigation of Roughness Effects on Transition on Spherical Capsules. AIAA Paper 2018-0058, 2018
S. Hein, A. Theiss, A. Di Giovanni, C. Stemmer, T. Schilden, W. Schröder, P. Paredes, M. M. Choudhari, F. Li, and E. Reshotko
(Siehe online unter https://doi.org/10.2514/6.2018-0058) - Numerical Simulations of the High-Enthalpy Boundary Layer on a Generic Capsule Geometry with Roughness. In A. Dillmann, G. Heller, E. Krämer, C. Wagner, S. Bansmer, R. Radespiel, and R. Semaan, editors, New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics XI, Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design 136, pages 189–198. Springer International Publishing, 2018
A. Di Giovanni and C. Stemmer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-319-64519-3) - Stagnation point probes in hypersonic flow. In A. Dillmann, G. Heller, E. Krämer, C. Wagner, S. Bansmer, R. Radespiel, and R. Semaan, editors, New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics XI, volume 136 of Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design, pages 117–127. Springer Verlag, 2018
S.R.C. Ali, R. Zárate Cárdenas, R. Radespiel, T. Schilden, and W. Schröder
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-319-64519-3_11) - Experimental investigations of roughness effects on transition on blunt spherical capsule shapes. Journal of Spacecraft and Rockets, 56(2):405–420, 2019
R. Radespiel, S. R. Ali, R. D. Bowersox, A. Leidy, H. Tanno, L. C. Kirk, and E. Reshotko
(Siehe online unter https://doi.org/10.2514/1.A34295) - Inclined slow acoustic waves incident to stagnation point probes. Journal of Fluid Mechanics, 866:567–597, 2019
T. Schilden and W. Schröder
(Siehe online unter https://doi.org/10.1017/jfm.2019.121) - Numerical investigation of roughness effects on transition on spherical capsules. Journal of Spacecraft and Rockets, 56(2):388–404, 2019
S. Hein, A. Theiss, A. Di Giovanni, C. Stemmer, T. Schilden, W. Schröder, P. Paredes, M. M. Choudhari, F. Li, and E. Reshotko
(Siehe online unter https://doi.org/10.2514/1.A34247) - Pressure gradient effects on wake flow instabilities behind isolated roughness elements on re-entry capsules. Proc. Inst. Mech. Eng. Part G - J. Aerosp. Eng., 2019
Alexander Theiss, Sascha Leyh, and Stefan Hein
(Siehe online unter https://doi.org/10.1177/0954410019844067) - Roughness-induced crossflow-type instabilities in the hypersonic boundary layer of a capsule-like forebody including non-equilibrium. Journal of Spacecraft and Rockets, 2019
A. Di Giovanni and C. Stemmer
(Siehe online unter https://doi.org/10.2514/1.A34404)
