ISBN 978-3-8439-1688-2

978-3-8439-1688-2, Reihe Strömungsmechanik

Christian Max Fischer
Investigation of the Isolator Flow of Scramjet Engines

174 Seiten, Dissertation Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (2014), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht der Isolator eines Scramjet Triebwerkes. Mit Hilfe verschiedener Windkanalmodelle wird der Einfluss der Wand- und Totaltemperatur auf das Strömungsfeld untersucht. Dabei wird die Wandtemperatur zwischen 300 K und 1000 K sowie die Totaltemperatur der Strömung zwischen 1150 K und 2200 K variiert. Die Anströmmachzahl des Scramjet Triebwerkes beträgt Ma∞ = 7.5. Ergänzt werden die Versuchsdaten durch numerische Strömungssimulationen.

In einem typischen Scramjet Isolator mit Einlauf wird der Shock Train sowie eine Stoß/ Grenzschicht-Wechselwirkung untersucht. Dabei zeigt sich, dass für diesen Strömungsfall das Verhältnis von Wand- zu Totaltemperatur ein guter Ähnlichkeitsparameter ist. Mit steigendem Verhältnis von Wand- zu Totaltemperatur wächst der Shock Train bei konstantem Gegendruck stromauf weiter in den Isolator hinein.

Allerdings beeinflusst der Einlauf das in den Isolator eintretende Strömungsfeld, z.B. durch Wandtemperatureffekte. Auch erzeugt der hier untersuchte Einlauf ein asymmetrisches Strömungsprofil. Um ausschließlich den Wandtemperatureffekt auf den Shock Train zu untersuchen wird ein Isolatormodell mit rechteckigem Querschnitt und homogener sowie wandtemperaturunabhängiger Einströmung untersucht. Die Machzahl dieser Einströmung wird zwischen Ma = 2 und Ma = 3.5 variiert. Es zeigt sich, dass bei konstanter Totaltemperatur die Länge des Shock Trains mit steigender Wandtemperatur abnimmt. Der Effekt ist besonders stark wenn sich die Wandtemperatur der Recoverytemperatur annähert. Dadurch ist das Verhältnis von Wand- zu Totaltemperatur kein Ähnlichkeitsparameter. Die existierende Korrelation von Waltrup und Billig kann den beobachteten Effekt nicht quantitativ beschreiben. Sie wird basierend auf den Messergebnissen entsprechend erweitert und beinhaltet nun den Einfluss des Wandwärmestroms.

Der Einfluss der Breite auf das Isolatorströmungsfeld mit rechteckigem Querschnitt wurde mit einem zusätzlichen Modell untersucht. Hier wurde die Breite des Isolators variiert. Die zusätzliche Kompression durch die Seitenwände führt zu kürzeren Shock Trains bei gleichem Gesamtdruckanstieg im Vergleich zu einem annähernd zweidimensionalen Strömungsfeld. Mit steigendem Verhältnis von Wand- zu Querschnittsfläche (Annäherung an einen quadratischen Querschnitt) steigen die Verluste durch die Grenzschicht und der Shock Train wird wieder länger.