 | Hohn O. Auslegung und Charakterisierung eines dreidimensionsionalen Scramjet-Einlaufs mit hohem Verdichtungsverhalthis und variabler Innenkontraktion: Diss… Dr.-Ing. / Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik, Abteilung Über- und Hyperschalltechnologien, Köln – Köln: DLR, 2014. - XVI, 251 S.: Ill. - (Forschungsbericht; 2014-32). - Literaturverz.: S.212-228. - ISSN 1434-8454
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Vorwort ....................................................... iii
Inhaltsverzeichnis .............................................. v
Nomenklatur .................................................... ix
Kurzfassung .................................................. xiii
Abstract ....................................................... xv
1 Einleitung ................................................... 1
1.1 Problemstellung ......................................... 1
1.2 Scramjet-Forschung Weltweit ............................. 3
1.2.1 Forschung in Europa .............................. 3
1.2.2 Forschung in den USA ............................. 6
1.2.3 Forschung in Australien .......................... 8
1.3 Das Graduiertenkolleg GRK-1095/2 ....................... 11
1.3.1 Leitkonfiguration des GRK-Scramjets ............. 11
1.3.2 Struktur und Zusammenarbeit im
Graduiertenkolleg ............................... 12
1.4 Zielsetzung und Methodik ............................... 14
1.5 Gliederung der Arbeit .................................. 15
2 Funktionsweise des Scramjet-Triebwerks ...................... 16
2.1 Der Einlauf ............................................ 17
2.2 Übersicht über verschiedene Einlauftypen ............... 20
2.2.1 2D-Einläufe ..................................... 20
2.2.2 3D-Einläufe ..................................... 21
2.2.3 Ebene 3D-Einläufe ............................... 22
2.2.4 Rotationssymmetrische Einlaufe .................. 23
2.2.5 Streamline-traced 3D-Einläufe ................... 24
2.3 Physikalische Grundlagen von Uberschall- und
Einlaufströmungen ...................................... 25
2.3.1 Reibungsfreie Strömung .......................... 25
2.3.2 Stoßwellen und Expansionsfächer ................. 26
2.3.3 Stoß-Stoß-Wechselwirkungen ...................... 29
2.3.4 Reibungsbehaftete Strömung ...................... 32
2.3.5 Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkungen .............. 35
2.3.6 Eckenströmung und Wirbelbildung ................. 36
2.3.7 Startverhalten .................................. 37
2.3.8 Einlauf-Brummen ................................. 40
2.3.9 Isolatorströmung ................................ 41
3 Auslegung des 3D-Einlaufs ................................... 43
3.1 Vorauslegung ........................................... 44
3.2 Vorgaben für den 3D-Einlauf und Festlegung der
Auslegungsstrategie .................................... 44
3.2.1 Systemtechnische Vorgaben ....................... 44
3.2.2 Aerothermodynamische Bedingungen ................ 45
3.3 Definition der Parameterstudie ......................... 48
3.3.1 Konstante Parameter ............................. 48
3.3.2 Variable Parameter .............................. 50
3.4 Methodik der CFD-Studie ................................ 53
3.4.1 Gittererzeugung mit Centaur ..................... 53
3.4.2 Durchführung der Rechnungen mit dem
DLR-TAU-Code .................................... 56
3.4.3 Validierung anhand von Windkanalergebnissen ..... 60
3.5 Ergebnisse der Parameterstudie ......................... 69
3.6 Modifikation und endgültige Konfiguration .............. 73
4 Experimentelle Methoden ..................................... 80
4.1 Windkanäle ............................................. 80
4.1.1 Hypersonischer Windkanal H2K Köln ............... 80
4.1.2 Düsenkalibrierung ............................... 81
4.2 Versuchsaufbau und Messtechnik ......................... 82
4.3 Windkanalmodelle ....................................... 84
4.3.1 Einlaufmodell GK-01 ............................. 84
4.3.2 Windkanalmodell GK-3D ........................... 87
4.4 Auswertung und Darstellung der Messdaten ............... 90
4.4.1 Koinzidenz-Schlieren-Optik ...................... 90
4.4.2 Wanddruckmessungen .............................. 92
4.4.3 Messungen der Druckmessrechen ................... 92
4.4.4 Ableitung der Machzahl .......................... 93
4.4.5 Bestimmung der Leistungsparameter ............... 94
4.4.6 Statische Drucksonden ........................... 95
4.4.7 Bestimmung des Massenstroms ..................... 98
4.4.8 IR-Thermografie ................................ 102
5 Voruntersuchungen mit dem GK-01-Einlauf .................... 107
5.1 Versuchsbedingungen ................................... 107
5.2 Startverhalten ........................................ 107
5.3 Leistungsvermögen ..................................... 109
5.4 Strömungsfeld ......................................... 112
5.4.1 Einfluss der Seitenwandkompression auf die
Wärmelasten und Strömungstopologie
der externen Verdichtungsrampen ................ 112
5.4.2 Einfluss der Innenkontraktion beim 2D-Einlauf .. 114
5.4.3 Vergleich der unterschiedlichen
Seitenwandkompressionen ........................ 117
5.5 Schlussfolgerungen der Voruntersuchungen .............. 123
6 Ergebnisse der Untersuchungen mit dem 3D-Einlauf GK-3D ..... 124
6.1 Versuchsbedingungen und Versuchsablauf ................ 124
6.2 Erwartete Strömungsstruktur bei den
Windkanalversuchen .................................... 125
6.3 Startverhalten ........................................ 129
6.3.1 Startvorgang bei Bedingung 1 ................... 129
6.3.2 Variation der Reynoldszahl ..................... 131
6.4 Einfluss der Innenkontraktion ......................... 132
6.4.1 Betriebsverhalten bei verschiedenen
Innenkontraktionsverhältnissen ................. 132
6.4.2 Strömungsfeld ohne Gegendruck .................. 137
6.4.3 Strömungsfeld bei aufgeprägtem
Gegendruck ..................................... 141
6.4.4 Konfiguration mit fester Haubenposition ........ 148
6.5 Untersuchung unterschiedlicher Flugbahnwinkel ......... 151
6.5.1 Anstellwinkelverhalten ......................... 152
6.5.2 Schiebewinkelverhalten ......................... 166
6.6 Reynoldszahl-Variation ................................ 175
6.6.1 Betriebsverhalten bei hoher Reynoldszahl ....... 175
6.6.2 Einfluss der Reynoldszahl auf das
Strömungsfeld .................................. 177
6.7 IR-Messungen .......................................... 186
7 Vergleich unterschiedlicher Auslegungsverfahren ............ 192
7.1 REST-Einläufe ......................................... 192
7.2 Busemann-Einlauf ...................................... 197
7.3 Vergleich der Geometrien der drei
Einlaufkonfigurationen ................................ 199
7.4 Gegenüberstellung des Leistungsvermögen und
der Strömungsfelder der drei Einlauftypen ............. 200
7.5 Vor- und Nachteile der Auslegungsverfahren ............ 205
8 Zusammenfassung und Ausblick ............................... 207
8.1 Ergebnisse ............................................ 207
8.2 Ausblick für zukünftige Arbeiten ...................... 210
Literaturverzeichnis ....................................... 211
Anhang ..................................................... 229
A Geometrie des GK-01-Modells ................................ 229
A.1 Das2D-Model ........................................... 229
A.2 Positionen der Druckmesspunkte ........................ 230
A.3 Geometrie der 3D-Einsätze ............................. 231
A.4 Stückliste der einzelnen Komponenten des
GK-01-Modells ......................................... 232
В Messmatrix der Voruntersuchungen mit dem GK-01-Modell ...... 233
С Geometrie des GK-3D-Modells ................................ 236
C.l Übersichtszeichnungen des GK-3D-Modells ............... 236
C.2 Positionen der Druckmesspunkte des GK-3D-Modells ...... 239
C.3 Stückliste der einzelnen Komponenten des GK-3D-
Modells ............................................... 241
D Messmatrix der Versuche mit dem GK-3D-Modell ............... 242
E CFD-Ergebnisse der Einlaufe aus den unterschiedlichen
Auslegungsverfahren ........................................ 244
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