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Numerical Investigation of Transition Mechanisms in Hypersonic Boundary Layers of Generic Reentry Geometries

Subject Area Fluid Mechanics
Term from 2012 to 2020
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 211043694
 
Final Report Year 2019

Final Report Abstract

Die drei Teilprojekte des Paketantrags haben sich zum Ziel gesetzt, die laminar-turbulente Transition an einer generischen Kapselkonfiguration unter Windkanalbedingungen und unter realen Wiedereintrittsbedingungen zu untersuchen. Dabei kamen theoretische, numerische und experimentelle Methoden zum Einsatz, um einerseits die dominanten Instabilitätsmechanismen in der kompressiblen, stark beschleunigten Hochenthalpiegrenzschicht an der Kapsel zu untersuchen, andererseits die Rolle von Störungen in der freien Anströmung, wie sie in Windkanälen typischerweise vorkommen, in die Betrachtung mit einzubeziehen. Ein Teil der Anstrengungen war der Messung und Zerlegung der Freistromstörungen in Schallund Entropieanteil gewidmet. TP1 und TP2A unternahmen Druck- und Wärmestromfluktuationsmessungen und analysierten diese hinsichtlich ihrer modalen Zerlegbarkeit in Schall und Entropiestörungen. Dabei sind die Transferfunktionen schlecht konditioniert und eine eindeutige Zerlegung ist somit nicht möglich. Starke und schwache Schallwellen können hierbei fehlinterpretiert werden und ein erhebliches Vorwissen hinsichtlich der Natur der vorliegenden Windkanalstörungen ist notwendig, um die Methode als Black-Box Verfahren anwenden zu können. Es lässt sich aber feststellen, dass die Schallwellen die dominierende Störungsart im HLB sind. Ein neu entwickeltes auf PSE basierendes Adjungierten-Optimierungsverfahren wurde auf die glatte Kapselgeometrie angewandt. Dabei zeigte sich erwartungsgemäß ein maximaler nichtmodaler Störenergiezuwachs im Staupunktbereich. Davon abgesehen treten die größten Energiezuwächse in der beschleunigten Grenzschicht im Bereich nahe der Schulter in schallnaher Strömung auf. DNS Rechnungen zur wirbelbehafteten Anströmung im Falle einer glatten Kapsel konnten noch keine direkte Übereinstimmung mit den entsprechenden Experimenten zeigen. Gemeinsame Untersuchungen der glatten Kapsel und deren potentiellen Instabilitätsmechanismen in der ersten Förderperiode zusammen mit den durchgeführten nicht-lokalen Stabilitätsuntersuchungen verschoben den Fokus der Untersuchungen zur laminar-turbulenten Transition an der Kapsel zu rauigkeitsinduzierten Mechanismen. Dazu wurden Einzelrauigkeiten, Rauigkeitsfelder sowie auch stochastische Rauigkeiten untersucht. Im HLB (TP2A) wurden Untersuchungen mit einem Rauigkeitsfeld quaderförmiger Einzelrauigkeiten durchgeführt. Untersuchungen an der zylindrischen Einzelrauigkeit lieferten eine qualitativ gute Übereinstimmung zwischen dem Experiment und den entsprechenden numerischen Simulationen. Die Anwendung von stabilitätstheoretischen Methoden auf den Nachlauf einer diskreten Einzelrauigkeit konnte zeigen, dass nichtlokale Verfahren (PSE-3D) einen deutlichen Vorteil bieten. Die mit dem erweiterten PSE-Verfahren bestimmten Instabilitätsmoden konnten im Experiment ebenfalls beobachtet werden. In TP2B wurde ein adjungiertes PSE-3D Verfahren entwickelt und mit Hilfe eines Optimierungsalgorithmus zur Bestimmung von optimalen Störungen herangezogen. Auch hier liegt der bestimmte maximale Energiezuwachs unterhalb dessen, was für eine laminar-turbulente Transition notwendig wäre. Die Untersuchungen eines Mikrorauigkeitsfeldes im Experiment (TP2A) und in der DNS (TP1) brachten den Nachweis, dass Störungen des Freistroms durch Wirbelstärke transitionsrelevant sind. Nur in Kombination von Mikrorauigkeitselementen an der Wand und Wirbelstärkestörungen in der freien Anströmung kann Transition beobachtet werden. Eine potentielle Interaktion wurde in der DNS von TP1 aufgezeigt. Die begleitenden theoretischen Untersuchungen zum optimalen transienten Wachstum lieferten keinen abschließenden Anfachungsmechanismus, der eine substantielle Störungsanfachung in der beschleunigten Kapselgrenzschicht bis hin zur vollendeten Transition erklären würde. Bei den Untersuchungen zur verteilten Rauigkeit konnte zwar transientes Wachstum durch Anwendung von PSE und DNS nachgewiesen werden, wobei die geringe Erstreckung stromab wie auch die geringen Anfachungsraten keine vollständige Transition hervorrufen kann. Ein Rauigkeitsfeld mit unterschiedlicher Anordnung der Rauigkeitsreihen - versetzt und in Reihe - intensiviert das Störungswachstum im Vergleich zur glatten Oberfläche ein wenig, bleibt aber immer noch weit unterhalb einer notwendigen Störungsanregung, die für die Transition notwendig wäre. Numerische Untersuchungen mit DNS an stochastisch verteilten Rauigkeiten konnten zeigen, dass ein querströmungsähnlicher Wirbel generiert wird, der unter Mitwirkungen von instationären Störungen in der Grenzschicht zur Transition führen kann. Die Untersuchungen unter kalten Windkanalbedingungen wurden durch numerische Untersuchungen unter Berücksichtigung von Hochtemperatureffekten unter realen Wiedereintrittsbedingungen komplementiert. Dabei wurden die Einflüsse der Dissoziation sowie von chemischen und thermischen Nichtgleichgewichtseffekten erfolgreich untersucht. Durch die Untersuchungen der beteiligten Projekte am Paketantrag konnten, insbesondere auch durch die hervorragende internationale Vernetzung in der Arbeitsgruppe AVT-240, Transitionsszenarien an der Wiedereintrittskapsel definitiv ausgeschlossen werden und mögliche Wege zu einer rauigkeitsinduzierten Transition aufgezeigt werden. Dabei konnte auch gezeigt werden, dass der Störhintergrund im Windkanal eine bedeutende Rolle spielt und für zukünftige Evaluationen der Transition an der Kapsel in seiner detaillierten Zusammensetzung mit einbezogen werden muss. Die erzielten Ergebnisse sind hierbei von großer Bedeutung für eine potentielle detailliertere Modellierung der Transition und der Definition zukünftiger Anforderungen an Projekte, die diese Transitionsmechanismen weiter untersuchen wollen.

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