Experimentelle Untersuchung der turbulenten supersonischen Filmkühlung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Schröder
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 246312138

Die Schubdüsen moderner Hochleistungsantriebe zukünftiger Raumtransportsysteme sind extremen thermischen Belastungen ausgesetzt, weshalb sowohl neuartige Materialien als auch verbesserte, effizientere Kühlsysteme zu entwickeln sind. Bei Überschallströmung steigt die Kühleffizienz deutlich, wenn das Kühlmedium als supersonische Strahlströmung tangential zur Hauptströmungsrichtung injiziert wird. Dieses aus einer Freistrahl-, einer Nachlauf- sowie einer Scher- und Grenzschichtströmung zusammengesetzte Mehrskalenproblem stellt höchste Anforderungen an die Modellierung und die numerische Simulation. Die Komplexität des zu kühlenden Strömungsfeldes wird durch Verdichtungsstöße, die mit dem Kühlfilm wechselwirken, massiv erhöht. Besonders die Lage der Stoß-Kühlfilm-Wechselwirkung, d.h. unter anderem in bzw. stromab der Potentialkernregion des laminaren Kühlfilms, und der Dichtegradient zwischen Kühl- und Außenströmung besitzen einen signifikanten Einfluss auf die wandnahen Strömungsstrukturen und somit auf das Mischungsverhalten und die Kühleffizienz. Bisherige experimentelle Arbeiten auf dem Gebiet der Stoß-Kühlfilm-Interaktion weisen Abweichungen im zweistelligen Prozentbereich bzw. teilweise gegensätzliche Ergebnisse - Zunahme statt Abnahme der Kühleffizienz - auf, die auf eine mangelnde Erfassung der Einströmzustände sowie der lokalen Strömungsstrukturen zurückzuführen sind. Weiterhin enthalten die gängigen numerischen Auslegungsansätze wesentliche vereinfachende Annahmen wie z.B. die Konstanz der turbulenten Prandtl-Zahl, die zu inakzeptablen Vorhersagegenauigkeiten führen. Es ist demnach unerlässlich, die bisherige Datenlage auf Seite der experimentellen Arbeiten zu verbessern, um genauere Vorhersagemethoden zu entwickeln. Dementsprechend sollen in diesem Vorhaben Experimente für eine turbulente Luft-Außenströmung mit einer injizierten laminaren Luft- und Helium Kühlströmung, d.h. eine Luft/Luft und eine Luft/Helium-Kühlung, durchgeführt werden, die eine Variation der Stoß-Kühlfilm-Interaktionslage und der Stoßstärke ermöglichen und die Veränderung des Dichtegradienten beinhalten. Die Dichte- und Geschwindigkeitsverteilung im Einströmrand sowie das wandnahe Geschwindigkeitsfeld werden durch Hochgeschwindigkeits-PIV Aufnahmen erfasst und die Konzentrationsverteilung des Kühlmediums bei Heliumeinblasung anhand von Lichtschnittmessverfahren qualitativ bestimmt, um Aussagen über die Intensivierung der Vermischungsprozesse durch die Stoßinteraktion zu erhalten. Um die wesentlichen Mechanismen für die Bestimmung der Kühleffizienz zu analysieren, steht im Vordergrund der experimentellen Untersuchung die Erfassung der variierenden Mischungsprozesse, die durch die Stoß-Kühlfilm-Interaktionslagen und Kühlfilm-Außenströmung-Dichtegradienten charakterisiert sind, und die Ermittlung der Verteilung der turbulenten Prandtl-Zahl.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Dr.-Ing. Michael Klaas