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Numerische Untersuchung der Stoßrohrströmung im Hochenthalpiekanal Göttingen

Reimann, Bodo

Bei sehr hohen Fluggeschwindigkeiten spielen neben stömungsmechanischen auch thermodynamische Aspekte eine entscheidende Rolle. Charakteristisch für diese hochenthalpen Strömungen ist das Auftreten chemischer Reaktionen des Gases. Eine Anlage zur Untersuchung solcher Strömungen, wie sie beispielsweise beim Eintritt von Raumfahrzeugen in Planetenatmosphären auftreten, ist der Hochenthalpiekanal Göttingen (HEG). Bei dem flugkolbengetriebenen Stoßwellenrohr handelt es sich um eine Anlage mit einer Meßzeit von nur wenigen Millisekunden pro Versuch. Ein Mechanismus, der diese Testzeit dramatisch verkürzt, ist die vorzeitige Treibgasankunft in der Meßstrecke aufgrund einer Stoß-Grenzschicht Wechselwirkung im Stoßrohr. Die vorliegende Arbeit untersucht numerisch die Wirkungsweise einer Vorrichtung, des sogenannten Treibgasabscheiders, zur Verzögerung der Treibgaskontamination. Das verwendete numerische Verfahren ist der DLR TAU-Code. Zunächst wird eine Erweiterung des Verfahrens zur Simulation von Gasen im thermochemischen Gleichgewicht diskutiert und validiert. Es wird gezeigt, daß die lokale Netzadaption in der Lage ist die auftretenden instationären stömungsphysikalischen Phänomene wie Stoßwellen und Kontaktunstetigkeiten mit hoher räumlicher Genauigkeit aufzulösen. Die Anwendung des Verfahrens auf die HEG Stoßrohrströmung zeigt eine Wirkungsweise des Teibgasabscheiders, die auf einem Zurückdrängen des Treibgases beruht.

At very high flight velocities both aerodynamic and thermodynamic aspects play an important role. Characteristic of these high enthalpy flows is the occurrence of chemical reactions within the gas. The High Enthalpy Shock Tunnel Göttingen (HEG) is a facility to investigate such flows, that occur for example, during the entry of space vehicles into planetary atmospheres. The free piston-driven shock tunnel is a short-term facility with a measurement time of only a few milliseconds per run. A mechanism which can decrease the test time dramatically is premature driver gas arrival in the test section due to shock-boundary layer interactions in the shock tube. The present work numerically investigates the operation of a device, so-called driver gas seperator or sleeve, to delay such contamination of the test gas. The numerical tool employed is the DLR TAU-code. First, an extension of the code to simulate gases in thermochemical equilibrium is discussed and validated. It is shown that the local grid refinement is capable to capture the unsteady flow phenomena that occur, such as shock waves and contact discontinuities, with high spatial accuracy. The application of the code to the HEG shock tunnel flow shows the effect of the sleeve to be a reversal of the direction of the driver gas motion.

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Reimann, Bodo: Numerische Untersuchung der Stoßrohrströmung im Hochenthalpiekanal Göttingen. 2009.

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