Die Auslegung des Wärmeschutzsystems zukünftiger, wiederverwendbarer Wiedereintrittsfahrzeuge ist gekennzeichnet durch hohe Anforderungen hinsichtlich der Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Kosteneffizienz. Eine notwendige Voraussetzung für die optimale Auslegung ist die genaue Vorhersage der aerothermodynamischen Lasten. In diesem Zusammenhang beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit dem Wärmeübergang und der Strömungstopologie in den Spalten zwischen den Komponenten des Wärmeschutzsystems unter besonderer Berücksichtigung der Wechselwirkung von Fluid und Struktur. Neben weiteren Einflussgrößen sind Kopplungseffekte bedeutsam, da beispielsweise die thermischen und mechanischen Lasten zu Verformungen der Schutzelemente und damit zu Konturdiskontinuitäten mit einhergehenden Änderungen der lokalen Bedingungen führen. Konstruktionsbedingt treten diese Effekte insbesondere im Bereich der in dieser Arbeit untersuchten Spalte hinter den Nasenkappen der Wiedereintrittsfahrzeuge auf. Ein bereits entwickeltes Kopplungsmodul, welches auf einer schwachen Kopplung eines Struktur- und eines Fluidlösers basiert, wird um ein Verfahren zur Simulation instationärer Vorgänge erweitert. Darüber hinaus werden Verfahren untersucht und bewertet, die eine Nachführung des fluidseitigen Rechennetzes im Spaltbereich als Folge von Verformungen der Schutzelemente ermöglichen. Die Validierung des erweiterten Kopplungsverfahrens erfolgt durch Experimente in einem kalten Hyperschallwindkanal mit einem generischen Nasenkappenmodell mit einer T-Spalt Konfiguration. Die instationäre, gekoppelte Nachrechnung von Versuchen mit laminarer und turbulenter Strömung liefert eine weitgehend gute Übereinstimmung zwischen experimentellen und numerischen Ergebnissen. Die vorgenommenen Versuche und Analysen ergänzen die bereits vorliegenden Validierungsarbeiten für das Kopplungsmodul um den Einfluss der REYNOLDS-Zahl. Die technische Konfiguration, auf die die Entwicklungen angewendet werden, ist der transversale Spalt hinter der Nasenkappe des Experimentalfahrzeugs X-38. Die transiente Simulation eines Wiedereintritts entlang der Trajektorie mit thermischer Kopplung sowie eine stationäre Analyse für den Trajektorienpunkt des maximalen Staupunktswärmestromes mit thermischer und mechanischer Kopplung zeigen einen deutlichen Einfluss von Wechselwirkungseffekten und geben Hinweise auf mögliche Verbesserungen für das Design des Fahrzeugs. Die Untersuchungen tragen insgesamt zum vertieften Verständnis der Strömungen in den Spalten von Wärmeschutzsystemen bei.


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    Title :

    Numerische Simulation hypersonischer Spaltströmungen mit Berücksichtigung der Fluid-Struktur-Wechselwirkung


    Contributors:

    Published in:

    Publication date :

    2007


    Size :

    157 Seiten, 99 Bilder, 13 Tabellen, 87 Quellen




    Type of media :

    Theses


    Type of material :

    Print


    Language :

    German