Streamwise vortices in hypersonic flow on a compression ramp

  • Längswirbel in einer Hyperschall-Kompressionsrampenströmung

Cao, Shibin; Olivier, Herbert (Thesis advisor); Schröder, Wolfgang (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit, Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

In dieser Arbeit erfolgt die numerische Simulation mittels DNS (Direkte Numerische Simulation) einer Kompressionsrampenströmung bei einer Anströmmachzahl von 7,7. Ziel ist hierbei ein besseres physikalisches Verständnis der im Experiment beobachteten Phänomene. Die Strömung ist charakterisiert durch eine laminare Stoß/Grenzschichtwechselwirkung einhergehend mit einer moderaten Strömungsablösung. Die durchgeführten direkten numerischen Simulationen erlauben eine detaillierte Analyse beobachteter Längswirbel und entsprechender in Spannweitenrichtung periodisch auftretender Wärmestromstrukturen. Die numerisch erzielten Ergebnisse, experimentelle Daten als auch theoretische Vorhersagen zeigen eine sehr gute Übereinstimmung. Einflüsse einer endlichen Spannweite der Windkanalmodelle im Experiment werden ebenfalls numerisch untersucht. Auch bei Abwesenheit einer externen Störungsanregung zeigen die numerischen Ergebnisse auf der Kompressionsrampe typische Längswirbel- und Wärmestromstrukturen. Diese Wärmestromverteilungen führen auf der Kompressionsrampe zu einer signifikanten Erhöhung der Wärmestrombelastung. Einflüsse der Reynoldszahl und des Rampenwinkels werden ebenfalls analysiert und mit experimentellen Daten verglichen. Ein weiteres wichtiges Ergebnis dieser Arbeit betrifft die beobachtete Strömungsinstationarität hervorgerufen durch eine Instabilitätsform der Strömung innerhalb der Ablöseblase. Anhand der zeitlichen Wärmestromverteilung stromab des Wiederanlegebereichs wird eine niederfrequente Instationarität identifiziert, die sich stromab ausbreitet. Dieser Instationaritätsmode wird zurückgeführt auf eine oszillierende Bewegung der Wiederanlegelinie. Eine DMD (Dynamic Mode Decompostion)-Analyse zeigt, dass der Ursprung der Instationarität gekoppelt ist am Auftreten verschiedener nierderfrequenter Vorgänge innerhalb der Ablöseblase, die von der feien Scherschicht stromab transportiert werden. Zur Charakterisierung der im Wiederanlegebereich der Strömung auftretenden Zentrifugalinstabilität wird die Görtlerzahl mit Hilfe zweier unterschiedlicher Vorgehensweisen bestimmt. Diese umfassen die Bestimmung mittels numerischer Daten als auch eines einfachen physikalischen Modells zur Abschätzung der Stromlinienkrümmung und der Scherschichtdicke vor dem Wiederanlegebereich. Basierend hierauf zeigt sich, dass die Görtlerzahl mit zunehmendem Rampenwinkel und zunehmender Reynoldszahl ebenfalls wächst, während sie mit zunehmender Machzahl und zunehmendem Wandtemperaturverhältnis eine abnehmende Tendenz aufweist.

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