Numerische Berechnung turbulenter Mischungs- und Verbrennungvorgänge in Überschallströmungen

Der Schlüssel für die Kommerzialisiserung des Weltraums und die Nutzung moderner Satellitenkommunikation ist die Entwicklung einer neuen Generation von Raumtransportsystemen. Neuartige Raumtransporter sehen den Einsatz wiederverwendbarer Systeme vor, die für den atmosphärischen Flug luftatmende Antriebe benutzen. Die Durchführung realitätsnaher Versuche im Hyperschall zur Entwicklung und zum Betrieb solcher luftatmenden Antriebe (Scramjet) stellt hierbei eine große Herausforderung an die Technik dar. Durch den Einsatz von numerischen Simulationen können Experimente hingegegn optimal ausgelegt und die Messtechnik hinsichtlich der zu untersuchenden Problembereiche gezielt ausgerichtet werden. In der vorliegenden Doktorarbeit werden Strömungssituationen mittels numerischer Simulation untersucht, wie sie typischerweise in Scramjet–Brennkammern auftreten. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Untersuchung der Interaktion von Verdichtungsstößen mit Scher- und Mischungsschichten, die durch die Injektion und Verbrennung von Brennstoff in Überschallströmungen entstehen. Es wird hierzu ein an der RWTH Aachen entwickltes Berechnungsverfahren verwendet, welches auf einem Finite-Element Galerkin–Verfahren zur numerischen Strömungsberechnung auf unstrukturierten Berechnungsgittern basiert. Die Beschreibung turbulenter Strömungen erfolgt mit einem k - e - Turbulenzmodell, erweitert um die Modellierung von Kompressiblitätseinflüssen bei hohen Machzahlen. Als physikalisches Modell zur Berechnung turbulenter Diffusionsflammen wird ein probabilistisch basiertes PEuL-Modell verwendet. Die Validierung des Berechnungsverfahren erfolgt anhand der Nachrechnung von repräsentativen turbulenten und reaktiven Überschallströmungen. Die Auswahl der Validierungsfälle erfolgt mit dem Ziel, die wesentlichen strömungsphysikalischen Phänomene unabhängig voneinander darzustellen. In der Anwendung wird das das komplexe Strömungsfeld einer supersonischen Brennkammer nachgerechnet. Untersucht wird der Einfluss von Verdichtungsstößen auf die Durchmischung von Wasserstoff und Luft. Durch Variation der Geometrie werden dann definierte Verdichtungsstöße der Strömung aufgeprägt und diese in Stoßstärke und Auftreffposition verändert. Es wird gezeigt, dass durch die Stoßinduktion eine erhöhte Wachstumsrate der Mischungsschichten erzielt werden kann. Die weiteren Ergebnisse zeigen, dass mit dem vorgestellten Berechnungsverfahren komplexe turbulente Strömungen und Diffusionsflammen räumlich detailliert aufgelöst und berechnet werden können.