ISBN 9783843950190

978-3-8439-5019-0, Reihe Raumfahrt

Daniel Rahn
Modeling of Combustion, Flow and Heat Transfer in Methane-Oxygen Liquid Rocket Engines

181 Seiten, Dissertation Technische Universität München (2021), Hardcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

In Anbetracht eines Mangels an zuverlässigen und effizienten Vorhersagemethoden für fundamental wichtige Designparameter in mit Methan und Sauerstoff betriebenen Raketenschubkammern, präsentiert diese Forschungsarbeit eine neuartige numerische Modellierungsstrategie. Diese basiert auf einer Erweiterung des etablierten Flamelet-Konzeptes zur Entkopplung der fluidmechanischen und chemischen Berechnungsschritte, um eine Anwendung im Rahmen der extremen Betriebsbedingungen sicherzustellen. Durch die Berücksichtigung von sehr stark nicht-adiabaten Strömungen sowie der wichtigen chemischen Kinetik als Grundlage der räumlichen Entwicklung der Speziesumwandlung, kann der lokale chemische und thermodynamische Zustand des Fluids unter Einbeziehung von Realgas- und Mehrphaseneffekten aus einer mehrdimensionalen Abhängigkeit bestimmt werden. Somit kann die hohe Effizienz des ursprünglichen Konzeptes beibehalten werden, während die neue Methodik die Vorhersagefähigkeiten bezüglich kritischer Parameter wie Wärmeübergang und Leistungscharakteristik signifikant verbessert. Dies wird durch eine Verifizierung gegenüber höherwertigen numerischen Modellen und einer Validierungsstudie auf Basis experimenteller Daten einer kryogenen Multi-Elementkammer nachgewiesen. Hierbei liefert diese Arbeit erstmals detalliertere Einblicke in die zugrundeliegenden physikalischen Phänomene, die im realen Prüfstandsbetrieb bei einer Variation des Betriebspunktes und des Kühlsystems auftreten.