Aktive Kühlungsmethoden an umströmten Strukturen zur Reduktion thermaler Lasten
Final Report Abstract
Mithilfe von Experimenten und numerischen Simulationen wurden die wesentlichen Einflussparameter auf die Kühlwirkung verschiedener Ausblaskonfigurationen ermittelt. So wurde zunächst eine Analogie hergestellt zwischen Flugbedingungen mit einer vollständig aufgeheizten Wand und Kurzzeitversuchen, bei denen sich die Wandtemperatur kaum ändert. Die für beide Fälle definierte Kühleffektivität kann in Versuchen mit isothermer Wand ermittelt und auf den Flugfall mit nahezu adiabater Wand übertragen werden. Ausgehend von einer einfachen Energiebilanz von Goldstein wurde die Kühleffektivität für laminare Überschallströmungen ermittelt. Trägt man die Kühleffektivität über der Lauflänge hinter dem Schlitz auf, so ergibt sich eine Selbstähnlichkeit. Bei veränderten Parametern kann die Lauflänge so skaliert werden, dass die Messwerte zweier Versuche übereinstimmen. Diese Selbstähnlichkeit wird durch eine Korrelationsfunktion beschrieben, die aus der Energiebilanz nach Goldstein abgeleitet wurde. Wird die Kühleffektivität nicht über die Lauflänge aufgetragen, sondern über einen Korrelationsparameter, so können alle Einflüsse auf die Kühleffektivität mit diesem Parameter erfasst werden, so dass ein einziger Verlauf der Kühleffektivität ausreicht, um verschiedene Konfigurationen zu beschreiben. Unterschiedliche Einflüsse auf die Kühleffektivität, wie das Massenstromverhältnis von Kühlgas und Hauptströmung, die Schlitzbreite sowie die Grenzschichtdicke am Ort des Ausblasschlitzes, wurden untersucht, so dass die Korrelationsfunktion sukzessive erweitert werden konnte. Neben einer Korrelation für laminare Strömungen wurde ein erster Ansatz der Korrelation auch für turbulente Strömungen erarbeitet. Für die Kühlung im Staupunktbereich stumpfer Vorderkanten wurde eine vereinfachte Korrelation verwendet, deren Anwendung auch ohne Kenntnis der komplexen Strömungsphänomene im Staupunktbereich möglich ist. Des Weiteren wurden Untersuchungen zu Hochenthalpieeffekten durchgeführt. Letztere erfordern jedoch weitergehende Forschung, um die Kühlwirkung zuverlässig vorhersagen zu können. Im Fall der Rampenströmung kehrte sich die Abhängigkeit der Kühleffektivität von der Ausblasrate im Gegensatz zur Plattenströmung um. Hier führten niedrige Ausblasraten zu hohen Kühleffektivitäten. Es wird erwartet, dass für diese Konfiguration ein optimales Massenstromverhältnis existiert, bei dem sich die maximal mögliche Kühlwirkung einstellt. Wegen technischer Begrenzungen konnte jedoch das Massenstromverhältnis nicht beliebig gesenkt werden. Zukünftige Arbeiten sollen die Beschreibung der Kühlung in turbulenten Strömungen vervollständigen sowie die beobachteten Hochenthalpieeffekte in Form einer Erweiterung der gefundenen Korrelationen berücksichtigen.
Publications
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Effectiveness of slot blowing and field of blowing holes for active cooling in hypersonic flow. Proceedings of the 2nd European Conference for Aerospace Sciences, EUCASS 2007, Brüssel, Belgien, Juli 2007 (CD-ROM)
K.A. Heufer, H. Olivier
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Effect of injector shape on film cooling in hypersonic flow. Proceedings of the 6th European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles, Versailles, Frankreich, November 2008, SP-659 (CD- ROM)
J. Beloki Perurena, K.A. Heufer, H. Olivier
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Experimental and numerical study of cooling gas injection in laminar supersonic flow. AIAA Journal, Vol. 46, No. 11, 2741–2751, 2008
K.A. Heufer, H. Olivier
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Untersuchungen zur Filmkühlung in supersonischen Strömungen. Dissertation, RWTH Aachen, 2008
K.A. Heufer
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Experimental and numerical investigation of film cooling in hypersonic flows. Shock Waves. Proceedings of the 26th International Symposium on Shock Waves, Göttingen, Juli 2007, Vol. 1, 595-600, 2009
K.A. Heufer, H. Olivier; In: K. Hannemann, F. Seiler
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Film cooling investigation of a double wedge model in hypersonic flow. Proceedings of the 6th European Workshop on Thermal Protection Systems and Hot Structures, Stuttgart, April 2009
K.A. Heufer, M. Hombsch, H. Olivier
