Methan/Sauerstoff-Raketentriebwerke haben aufgrund ihrer günstigen Eigenschaften, wie einfache Lagerung und Transportfähigkeit, inhärente Stabilität, hohe Verbrennungseffizienz, umweltfreundliche Emissionen und Wiederverwertbarkeit, großes Interesse im Bereich der Raumfahrtantriebe geweckt. Während des Triebwerksbetriebs stellt die Beherrschung der Wärmeableitung an den Wänden eine erhebliche Herausforderung dar. Der Einsatz von Filmkühlung erweist sich als entscheidende Technik zum Schutz der Wände. Gleichzeitig gewinnt die numerische Simulation im Bereich der Raketentriebwerksforschung als effiziente und kostengünstige Untersuchungsmethode zunehmend an Bedeutung. Die Reynolds-gemittelten Navier-Stokes (RANS)-Simulationen, die für ihre Bequemlichkeit, Schnelligkeit und Wirtschaftlichkeit bekannt sind, finden in Ingenieurprojekten weit verbreitete Anwendung.
Beobachtungen aus numerischen Simulationen zeigen jedoch erhebliche Abweichungen zwischen vorhergesagtem und experimentellem Wärmefluss an den Wänden, trotz übereinstimmender Verteilungen anderer Parameter der Brennkammer. Diese Abweichungen werden auf die Vernachlässigung chemischer Reaktionen innerhalb der Grenzschicht bei der Verwendung allgemeiner Wandfunktionen zurückgeführt. Um dies zu beheben, wird in dieser Arbeit eine gekoppelte Wandfunktion, die chemische Reaktionen in der Nähe der Wand berücksichtigt, in die RANS-Methode integriert, um die Genauigkeit der Vorhersage des Wärmeflusses an den Wänden zu verbessern.
Die Studie konzentriert sich zunächst auf die Etablierung und Validierung des numerischen Rahmens, wobei Herausforderungen wie die Integration der gekoppelten Wandfunktionen und die Verarbeitung nichtlinearer experimenteller Daten überwunden werden. Die Wirksamkeit des Rahmens zeigt sich in der Minderung überschätzter Wärmeübertragungen an den Wänden bei gleichzeitiger Beibehaltung der Genauigkeit in den Strömungs- und Verbrennungsberechnungen. Quantitative Analysen heben die Auswirkungen chemischer Reaktionen auf die Wärmeübertragung an den Wänden hervor, und erste Untersuchungen zu 3D-Effekten zeigen Einflüsse auf die Dicke der Temperaturgrenzschicht und die Strömungscharakteristika.
Die anschließende Optimierung der Parameter, die die gekoppelte Wandfunktion steuern, verbessert die Vorhersagegenauigkeit, wie in einer rechteckigen Brennkammer mit einem einzelnen Injektor demonstriert wird. Praktische Anwendungen des Rahmens sprechen sich für die Verwendung der Netto-Wärmeflussreduktion (NHFR) als Maß für die Bewertung der Filmkühleffizienz aus. Weitere Untersuchungen zeigen das Zusammenspiel zwischen erhöhtem Wärmefluss an den Wänden und der Kühlungseffizienz, was die Notwendigkeit maßgeschneiderter Filmkühlstrategien betont, die Effizienz und Triebwerksleistung in Einklang bringen.
Untersuchungen an Mehrfachinjektor-Brennkammern beleuchten die kombinierten Effekte von Strömungsdynamik und chemischen Reaktionen in Wandnähe und unterstreichen die Bedeutung maßgeschneiderter Filmkühlstrategien bei Methan/Sauerstoff-Raketentriebwerken. Die Manipulation des Geschwindigkeitsverhältnisses zwischen dem Film und dem Hauptstrom durch verschiedene Methoden zeigt, dass die Geschwindigkeitsdifferenz unterschiedliche Einflüsse auf die Strömungs- und Verbrennungsdynamik ausübt. Gleichzeitig moduliert die Wechselwirkung mit chemischen Reaktionen in der Grenzschicht den Wärmefluss an den Wänden. Darüber hinaus haben unterschiedliche Ansätze zur Kontrolle der Filmgeschwindigkeit unterschiedliche Auswirkungen auf die genannten Parameter. Die Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit, den Abstand der Filmkühleinlässe und die Massenstromraten zu optimieren, um die gewünschte Kühlungseffizienz zu erreichen und dabei die Auswirkungen auf die Triebwerksleistung zu berücksichtigen.
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Methan/Sauerstoff-Raketentriebwerke haben aufgrund ihrer günstigen Eigenschaften, wie einfache Lagerung und Transportfähigkeit, inhärente Stabilität, hohe Verbrennungseffizienz, umweltfreundliche Emissionen und Wiederverwertbarkeit, großes Interesse im Bereich der Raumfahrtantriebe geweckt. Während des Triebwerksbetriebs stellt die Beherrschung der Wärmeableitung an den Wänden eine erhebliche Herausforderung dar. Der Einsatz von Filmkühlung erweist sich als entscheidende Technik zum Schutz der W...
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