In einer hypersonischen, zweidimensionalen Strömung wird nach der klassischen Transitionstheorie der Übergang zur Turbulenz durch das Auftreten kleiner, instabiler Störungen des Strömungsfeldes, den sogenannten Mack-Moden oder auch zweiten Moden, eingeleitet. Gegenstand der Arbeit ist die passive Beeinflussung der zweiten Mode mittels Mikroporen zur Verschiebung/Verhinderung der Transition in hypersonischen, zweidimensionalen Grenzschichten. Die ohnehin schon hohen Warmelasten im Hyperschall steigen zusätzlich durch den Transitionsprozess. Der Wärmestrom in einer turbulenten Grenzschicht im Vergleich zu einer laminaren Grenzschicht erhöht sich um den Faktor 2 3. Mit der Entwicklung einer geeigneten Auslegesoftware für die porösen Oberflächen stellt diese Arbeit einen ersten Schritt zur Entwicklung eines passiven, thermalen, hypersonischen Schutzsystems dar. Zur Erfassung der Wachstumsraten der zweiten Mode werden sowohl die lineare Stabilitätstheorie (LST) wie auch die direkte numerische Simulation (DNS) verwendet. Für die lineare Stabilitätstheorie-Analysen wird der sogenannte NOLOT-Code genutzt, welcher im Rahmen dieser Arbeit durch verschiedene Randbedingungen für poröse Wände erweitert wird. Diese in NOLOT implementierten Randbedingungen werden sowohl mit der DNS als auch einem weiteren LST-Code der Universität Southampton anhand von Testfällen mit einer ebenen Platte verifiziert. Zur Validierung wird ein Experiment von Rasheed et al. verwendet. Als Anwendungsfälle stehen die im Rahmen des DLR IMENS-3C-Projekts stattgefundenen Windkanalversuche zur Verfügung. Die Experimente wurden in zwei DLR-Windkanälen (H2K und HEG) mit verschiedenen Kegelgeometrien durchgeführt. Es gab dabei jeweils zwei Versuchsreihen: die erste mit einer Kegelgeometrie ohne Poren und die zweite mit einer Kegelgeometrie, deren Oberfläche zum Teil mit Mikroporen versehen wurde. Die mikroporöse Oberfläche des H2K-Kegels besteht aus zylindrischen Sacklöchern mit gleichmäßigen Abständen, ähnlich wie die der Experimente von Rasheed et al.. Die Versuche mit zylindrischen Poren stellen den ersten Schritt der experimentellen Untersuchungen dar. Auf Grund der Fertigung der Poren mittels Laser ist diese Art von porösen Oberflächen sehr teuer und für reale Anwendungen im Wiedereintritt ungeeignet. Die HEG-Versuche stellen den nächsten experimentellen Schritt dar. Dieser Kegel besteht aus einem TPS-ähnlichen Material, welches eine natürliche Porosität aufweist und vergleichbar mit dem Material von zukünftigen Wiedereintrittsfahrzeugen, z. B. SHEFEX I bis SHEFEX III, ist. Neben der Entwicklung eines geeigneten Auslegungsprogramms für poröse Oberflächen stellt der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit die Interpretation dieser Windkanalversuche dar: sowohl für die Experimente mit glatter Kegeloberfläche wie auch die mit keramischer und mit zylindrischen Mikroporen versehenen Oberfläche.

    Hypersonic laminar flow control for delayed laminar-turbulent transition is of high importance for re-entry vehicles since early transition results in an increase of the heat flow by factors between 2 and 3 resulting in significant cost and weight increases of the thermal protection systems. A lot of different strategies are used to delay or prevent the transition process. According to the classical theory of transition, the second mode, or so-called Mack mode, is the dominant mode for the transition process in hypersonic, two-dimensional flows. The present work focuses on the passive manipulation of the second mode by micropores. Two simulation techniques are applied: linear stability theory (LST) and direct numerical simulation (DNS). The LST is performed with the NOLOT code. As part of this work additional different porous boundary conditions are implemented in NOLOT. The development of this new tool for the dimensioning of the porous surfaces is the first step in direction to shift/prevent the transition in hypersonic boundary layers or passive thermal control systems. These new boundary conditions are verified against DNS calculations and also another LST code of the University of Southampton using flat plate test cases. For the validation an experiment of Rasheed et al. is used. As amplification cases cone experiments of the DLR IMENS-3C project are available. These experiments were performed in two DLR wind tunnels (H2K and HEG) using cone models in two main series of experiments: the first one with a smooth cone and the second one considering a porous surface. The micropores of the H2K-cone are cylindrical, equally spaced, blind pores, which are similar to those of the experiment of Rasheed et al.. These H2K-experiments are the first step of the experimental investigations. Due to the manufacturing process by laser, this kind of porous surface is very expensive and not suitable for real usage of material of re-entry vehicles. The HEG-experiments are the next experimental step: the cone surface was partly equipped with C/C (carbon/carbon), a fibre reinforced ceramic material with a natural, random porosity, which is similar to those of future re-entry vehicle, e. g. SHEFEX I to SHEFEX III. In addition to the development of a design program, the second main part of this work is the interpretation of these wind tunnel tests: for smooth as well as porous surfaces.


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    Title :

    Mack-Moden-Dämpfung mittels mikroporöser Oberflächen im Hyperschall


    Additional title:

    Mack-Mode damping by microporous surfaces in hypersonic flow


    Contributors:


    Publication date :

    2014


    Size :

    122 Seiten, 55 Bilder, 18 Tabellen, 203 Quellen



    Type of media :

    Theses


    Type of material :

    Print


    Language :

    German





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