Die vorliegende Arbeit fasst die Arbeiten an hypersonischen Strömungen entlang von ebenen Konfigurationen mit und ohne Hindernissen und Rampen zusammen. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf der Modellierung der chemischen Dissoziationsvorgänge in heißen hypersonischen Strömungen, wie sie unter Wiedereintrittsbedingungen auftreten. Dabei können die chemischen Reaktionen, die auch Rekombinationsreaktionen beinhalten, im Gleichgewicht (also unendlich schnell) oder im Nichtgleichgewicht (Zeitskala der chemischen Reaktionen im Bereich der Fluid-Zeitskala) vorliegen. Ebenfalls berechnet werden kann thermisches Nichtgleichgewicht, bei dem der Freiheitsgrad der molekularen Vibration ebenfalls einer eigenen Zeitskala folgt, und nicht sofort im Gleichgewicht mit den chemischen Reaktionen vor sich geht. Ein hochgenaues numerisches Verfahren zur Berechnung der laminar-turbulenten Transition für kompressible Strömungen unter idealen Gas Bedingungen mit Hilfe der Direkten Numerischen Simulation wurde auf die chemischen und thermischen Effekte von Hochtemperaturströmungen erweitert. Dabei fand auch Berücksichtigung, dass sich die Stoffeigenschaften (Viskosität und Wärmeleitfähigkeit) in Abhängigkeit von Temperatur und chemischer Zusammensetzung ändern. Die Diffusion der unterschiedlichen chemischen Spezies wurde ebenfalls modelliert. Das Verfahren wurde gegen die Ergebnisse der Linearen Stabilitätstheorie validiert. In einer ersten Anwendung wird die Simulation einer Ablöseblase an einer Rampe bei Ma=5 unter idealen Gas Bedingungen vorgestellt. Dabei wird mit einem Experiment verglichen, welches ausreichend niedrige Temperaturen aufwies, um diese Annahme zu rechtfertigen. Bei Untersuchungen zur Störungsausbreitung an der ebenen Platte wurde durch Ausblasen und Absaugen an der Wand zweidimensionale (2. Mode) und dreidimensionale (3. Mode) Störungen eingebracht, deren lineare Ausbreitung unter verschiedenen chemischen Zuständen für eine Strömung bei Ma=20, wie sie in einem Wiedereintrittsszenario aus der nahen Erdumlaufbahn typisch für eine transitionelle Gesamtumströmung eines schlanken Wiedereintrittskörpers sind, untersucht wurde. Bei der aerothermodynamischen Betrachtung von Wiedereintrittskörpern stellt die Güte der Oberfläche eine Einflussgröße dar, die in einer weiteren Studie betrachtet wurde. Dabei wurde die Möglichkeit von Hindernissen auf glatten Oberflächen in Betracht gezogen, die eine generische Repräsentation von herausstehendem Dämmmaterial zwischen Hitzeschutzelementen darstellen sollte. Angelehnt daran wurde ein Freiflug-Experiment (HyBoLT) eigens dafür konzipiert, bei dem zwei quaderförmige Elemente auf die instrumentierte Oberfläche aufgebracht wurden. Ziel der Freiflug-Mission war es, den Einfluss des Hindernisses in der Größenordnung der Grenzschichtdicke auf den Wärmeübergang und den Strömungszustand im Nachlauf des Hindernisses zu erfassen. Nach dem Scheitern der Mission wurde die Direkte Numerische Simulation unter Berücksichtigung von chemischem (Nicht-)Gleichgewicht fortgeführt. In mehreren Schritten wurden aufbauend auf den veröffentlichten, geplanten Flugzuständen die Strömungsverhältnisse um den Keil an der Raketenspitze untersucht.     «

Die vorliegende Arbeit fasst die Arbeiten an hypersonischen Strömungen entlang von ebenen Konfigurationen mit und ohne Hindernissen und Rampen zusammen. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf der Modellierung der chemischen Dissoziationsvorgänge in heißen hypersonischen Strömungen, wie sie unter Wiedereintrittsbedingungen auftreten. Dabei können die chemischen Reaktionen, die auch Rekombinationsreaktionen beinhalten, im Gleichgewicht (also unendlich schnell) oder im Nichtgleichgewicht (Zeitskala der...     »

The present work compiles work on hypersonic flows on plane configurations with and without obstacles and on a ramp. The main focus lies on the modeling of chemical dissociation processes in hot hypersonic flows, as they occur at re-entry conditions. Chemical reactions including recombination reactions are dealt with in equilibrium (infinitely fast reactions) and in non-equilibrium (time scale of the chemical reactions are comparable to the fluid time scale). Also, thermal non-equilibrium can be dealt with, where the vibrational degree of freedom follows its own relaxation time scale. A numerical scheme of high order of accuracy for the direct numerical simulation of laminar-turbulent transition in compressible flows at ideal-gas conditions was amended for the treatment of chemical and thermal effects of high-temperature flows. The variation of the thermodynamic properties (viscosity and thermal conductivity) with temperature and chemical specie composition was included. The diffusion of the chemical species was also considered. The numerical procedure was validated against Linear Stability Theory. In a first application, the scheme was applied to a supersonic ramp flow at Ma=5 at ideal-gas conditions. A comparison with a cold experiment is shown. On a flat plate boundary-layer flow, second and third mode disturbances were introduced through periodic blowing and suction at the wall. The linear disturbance evolution at various chemical conditions at Ma=20 was evaluated. The flow conditions are typical for transitional flows during atmospheric re-entry for slender bodies. The surface quality is an influential factor in the aerothermodynamic evaluation of re-entry bodies as the heat transfer on the surface strongly depends on it. It's often inevitable that obstacles are protruding the boundary-layer flow as they are used for fastener elements. Another source of obstacles in the hot flow are i.e. the tile gap fillers on the space shuttle. A free-flight experiment (HyBoLT) was designed to investigate the problem of the wake flow downstream of an obstacle and its possible transition and heat transfer on the surface. Two cuboid objects were applied to the wedge-shape head of a rocket. After the abortion of the experiment before the needed data was selected, the direct numerical simulations were continued for chemical (non-)equilibrium conditions.      «

The present work compiles work on hypersonic flows on plane configurations with and without obstacles and on a ramp. The main focus lies on the modeling of chemical dissociation processes in hot hypersonic flows, as they occur at re-entry conditions. Chemical reactions including recombination reactions are dealt with in equilibrium (infinitely fast reactions) and in non-equilibrium (time scale of the chemical reactions are comparable to the fluid time scale). Also, thermal non-equilibrium can...     »