Häberle J. Untersuchungen zum externen und internen Strömungsfeld eines Scramjet-Triebwerkseinlaufs bei unterschiedlichen Betriebspunkten / Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik, Abteilung Windkanäle, Köln. - Köln: DLR, Bibliotheks- und Informationswesen, 2009. - 191 S.: Ill., graph. Darst. - (Forschungsbericht; 09-14) - ISSN 1434-8454  Место хранения:   061 | Институт оптики атмосферы CO РАН | Томск | Библиотека

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Vorwort ......................................................... 3 Inhaltsverzeichnis .............................................. 5 Symbolverzeichnis ............................................... 9 Kurzfassung .................................................... 17 Abstract ....................................................... 19 1 Einleitung .................................................. 21 1.1 Problemstellung ........................................ 21 1.2 Stand der Technik ...................................... 23 1.2.1 Russische Projekte .............................. 23 1.2.2 Hy-Shot Programm (Australien) ................... 24 1.2.3 Hyper-X Programm der NASA (USA) ................. 25 1.2.4 X-51 Programm (USA) ............................. 26 1.2.5 JAPHAR Projekt (Deutschland-Frankreich) ......... 26 1.3 Das Graduiertenkolleg .................................. 27 1.3.1 Zielsetzung und Methodik der eigenen Arbeit ..... 28 1.3.2 Zusammenarbeit mit anderen Teilprojekten ........ 29 2 Das Scramjet Triebwerk ...................................... 30 2.1 Die Aerodynamik des Einlaufs / Vorauslegung ............ 31 2.1.1 Reibungsfreie Strömung .......................... 31 2.1.2 Grenzschichtströmungen .......................... 32 2.1.3 Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkung ................ 35 2.1.4 Stoß-Stoß Interaktion ........................... 38 2.1.5 Eckenströmung ................................... 38 2.2 Auslegungsmethoden und -kriterien für den Einlauf ...... 39 2.2.1 Charakteristiken-Verfahren nach B.H. Anderson ... 39 2.2.2 Startverhalten des Einlaufes (Kantrowitz- Kriterium) ...................................... 41 2.2.3 Funktionsweise des Isolators .................... 43 3 Versuchsanlage und Messtechnik .............................. 45 3.1 Hyperschallwindkanal H2K ............................... 45 3.2 Versuchsaufbau und Messdatenerfassung .................. 46 3.3 Koinzidenz Schlierenoptik .............................. 48 3.4 Druckmesstechnik ....................................... 49 3.4.1 Statischer Druck ................................ 49 3.4.2 Pitotdruckmessung und Ableitung der Machzahl .... 51 3.4.3 Fehlerbetrachtung für die Druckmessung und die berechnete Machzahl ......................... 51 3.5 Messungen mit Hilfe der Drossel ........................ 52 3.5.1 Bestimmung des Massendurchsatzes ................ 52 3.5.2 Bestimmung des Totaldruckverhältnisses π ........ 56 3.5.3 Wirkungsgrad der kinetischen Energie ηke ........ 58 3.5.4 Fehlerbetrachtung zur Messungen mit der Drossel ......................................... 59 3.6 Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten mittels IR-Thermographie ............................... 59 3.6.1 Die Infrarotkamera .............................. 60 3.6.2 Physik der optischen Temperaturmessung .......... 61 3.6.3 Kalibrierung am schwarzen Strahler und Korrektur ....................................... 62 3.6.4 Auswerteverfahren mittels 1 D- Wärmeleitungsgleichung .......................... 65 3.6.4.1 Mathematische Grundlagen ............... 65 3.6.4.2 Materialparameter von PEEK ............. 69 3.6.5 Plausibilität der ermittelten Stantonzahl ....... 70 3.6.5.1 Fehlerbetrachtung ...................... 70 3.6.5.2 Analytische Lösungen für die ID-Wärmeleitungsgleichung .............. 72 3.6.5.3 Abschätzen der 3D-Einflüsse ............ 73 4 Untersuchungen am Mach 6 Einlauf ............................ 77 4.1 Modifiziertes Einlaufmodell SCR-02 ..................... 77 4.2 Parameter der Windkanalströmung und Versuchsmatrix ......................................... 78 4.3 Diskussion der Ergebnisse des SCR-02 Einlaufs .......... 80 4.3.1 Experimentelle Ergebnisse ohne aufgeprägten Gegendruck für die Konfiguration ohne/mit Absaugung ................ 80 4.3.1.1 Druckverteilung und Schattenaufnahmen ...................... 80 4.3.1.2 Verteilung der aerothermodynamischen Belastung .............................. 84 4.3.2 Vergleich von Experimenten und numerischen Berechnungen .................................... 85 4.3.3 Experimentelle Ergebnisse mit aufgeprägtem Gegendruck für die Konfiguration mit Absaugung ....................................... 87 4.3.3.1 Pitotdruckmessungen und Schattenaufnahmen ...................... 88 4.3.3.2 Verteilung der aerothermodynamischen Belastung .............................. 90 5 Untersuchungen am Mach 7,5 Einlauf .......................... 95 5.1 Beschreibung des Windkanalmodells ...................... 95 5.1.1 Auslegungskriterien ............................. 95 5.1.2 Sensorik ........................................ 98 5.2 Parameter der Windkanalströmung und Versuchsmatrix ..... 99 5.3 Diskussion der Ergebnisse des 2D-Einlaufs ............. 101 5.3.1 Rampenströmung ................................. 101 5.3.2 Innenströmung ohne aufgeprägten Gegendruck für die Konfiguration ohne/mit Absaugung ...................................... 104 5.3.2.1 Druckverteilung und Schattenaufnahmen ..................... 104 5.3.2.2 Verteilung der aerothermodynamischen Belastung ............................. 112 5.3.2.3 Vergleich von Experimenten und numerischen Berechnungen .............. 114 5.3.3 Innenströmung mit aufgeprägtem Gegendruck für die Konfiguration ohne Absaugung ........... 116 5.3.3.1 Druckverteilung und Schattenaufnahmen ..................... 117 5.3.3.2 Verteilung der aerothermodynamischen Belastung ............................. 121 5.3.4 Innenströmung bei verschiedenen Anstellwinkeln und Betriebszuständen für die Konfiguration ohne Absaugung ............... 123 5.4 Diskussion der Ergebnisse mit diversen Innenkompressionen .................................... 129 5.4.1 Reduktion der Breite von B = 100mm auf B = 80mm ........................................... 130 5.4.2 Reduktion der Breite von B = 100mm auf B = 70mm ........................................... 133 5.4.3 Vergleich der drei Einlaufkonfigurationen ohne Absaugung und ohne aufgeprägten Gegendruck ..................................... 135 6 Weiterführende aerothermodynamische Untersuchungen ......... 138 6.1 3D-Auswertung der Oberflächentemperaturmessung ........ 138 6.1.1 Das ANSYS Modell ............................... 138 6.1.2 Diskussion der 3D-Auswertung ................... 142 6.2 Extrapolation auf realistischere Wandtemperaturverhältnisse ............................ 145 6.2.1 Ansatz von Deissler und Loeffler ............... 147 6.2.2 Auswertung der Variation der Stantonzahl über die Versuchszeit .......................... 149 7 Zusammenfassung ............................................ 156 7.1 Ergebnisse der vorliegenden Arbeit .................... 156 7.2 Ausblick und Empfehlungen für weiterführende Arbeiten .............................................. 158 8 Literaturverzeichnis ....................................... 160 Anhang A Finite-Element Modellierung ANSYS ....................... 169 B Fehlerbetrachtung ....................................... 171 C Geometrie des SCR-02 Modells ............................ 177 D Versuchsmatrix der SCR-02 Messkampagne .................. 180 E Geometrie des GK-01 Modells ............................. 182 F Versuchsmatrix der GK-01 Messkampagne ................... 186