ISBN 9783843922647

978-3-8439-2264-7, Reihe Raumfahrt

Hendrik Riedmann
Ein Verfahren zur Sprayverbrennungs- und Wärmeübergangssimulation in Raketenschubkammern in 3D

201 Seiten, Dissertation Universität Stuttgart (2015), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die vorliegende Arbeit stellt ein Verfahren zur numerischen Simulation der Strömung, der Verbrennung und des Wärmeübergangs in Schubkammern von Flüssigkeitsraketentriebwerken in zwei und drei Raumdimensionen vor, welches für die industrielle Anwendung geeignet ist. Dieses Verfahren wurde in dem CFD-Werkzeug Rocflam3 umgesetzt und erprobt. Die Hauptaufgaben von Rocflam3 liegen in der Berechnung des heißgasseitigen Wärmeübergangs einschließlich seines Verlaufs in axialer und Umfangsrichtung, des Brenn-kammerdrucks sowie relevanter Leistungsdaten einer Raketenschubkammer. Entsprechend dieser Anforderungen wurde das zugrundeliegende Verfahren konzipiert. Es löst die Favre-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen und beinhaltet Verfahren zur Modellierung der Einspritzung, Aufbereitung und Verdampfung flüssiger Treibstoffe, zur Modellierung turbulenter Verbrennung sowie zur Berechnung des turbulenten Wärmeübergangs. Außerdem bietet es die Möglichkeit zur Kopplung mit einer Simulation der Kühlmittelseite.

Der Vergleich mit experimentell bestimmten Daten relevanter Brennkammerströmungen dient der Validierung von Rocflam3. Zu diesem Zweck werden die Simulationsergebnisse für drei solche Testfälle vorgestellt und diskutiert. Bei dem ersten Testfall handelt es sich um die 2D/axialsymmetrische Simulation einer Schubkammer mit nur einem Einspritzelement und gasförmiger Treibstoffeinspritzung. Der zweite Testfall umfasst die 2D/axialsymmetrische und 3D-Simulation einer Schubkammer mit ebenfalls nur einem Einspritzelement, welches jedoch mit flüssigem, kryogenem Sauerstoff und gasförmigem Wasserstoff betrieben wird. Zuletzt werden eine 2D/axialsymmetrische sowie eine 3D-Simulation einer Versuchsschubkammer mit neunzehn Einspritzelementen präsentiert. Auch hier werden die Treibstoffe kryogen eingespritzt, der Sauerstoff ist dabei transkritisch und der Wasserstoff überkritisch.

Wie die Untersuchungen zeigen, ist es mit dem vorgestellten Verfahren möglich, für alle drei Testfälle die Testdaten mit sehr guter Übereinstimmung in den Simulationen abzubilden. Zudem wird ersichtlich, dass sich mithilfe dreidimensionaler Betrachtungen wertvolle Informationen aus der CFD-Simulation einer Raketenschubkammer ziehen lassen, die aus zweidimensionalen Simulationen nicht zu erhalten sind. Auf diese Weise kann die 3D-Simulation der Strömung, der Verbrennung und des Wärmeübergangs in Raketenschub-kammern für zukünftige Entwicklungen einen spürbaren Nutzen bringen.