Untersuchungen zur Strömung und Verbrennung im Einspritzgebiet von LOX/H2-Raketenbrennkammern

Abstract

Diese Arbeit befaßt sich mit den Problemen, die bei der Modellierung von Raketenbrennkammern auftreten. Die Komplexität der Phänomene, die auch die integralen Leistungsdaten von Triebwerken bestimmen, ist aufgezeigt worden. Aus diesen Erkenntnissen folgt, daß es in naher Zukunft kein Modell oder CFD-Programm geben wird, das vollständige Brennkammern über verschiedene Betriebspunkte und mit versch. Brennkammergeometrien ausreichend exakt berechnen kann. Das ist hauptsächlich ein Problem der Rechnerkapazität, denn die Genauigkeit der Rechnung, d.h. wie detailliert bestimmte Phänomene modelliert werden, aber auch wie fein das Rechengebiet aufgelöst (diskretisiert) wird und natürlich wieviel Zeit benötigt wird bis man eine auskonvergierte Lösung erhält, hängt in erster Linie von der Leistung der Computer ab. In Zukunft werden sich deshalb auf dem CFD-Sektor immer mehr hochparallelisierte Programme durchsetzen, die auf sehr leistungsfähigen Parallelrechnern laufen werden. Folglich ist es abzusehen, daß die Large-Eddy-Simulation in Zukunft immer wichtiger wird. Aber auch hochkomplexe Modelle, die heutzutage nicht verwendet werden können, da sie die Berechnung zu langsam machen, werden immer mehr angewendet werden. Simultan zu den theoret. Aktivitäten der numerischen Simulation von Brennkammern ist es weiterhin mindestens ebenso wichtig, die experimentelle Untersuchung von Raketenbrennkammern voranzutreiben. In dieser Arbeit werden Brennkammeruntersuchungen mittels Schattenaufnahmetechniken, OH- und H2O-Imaging durchgeführt. Experimentelle Datensätze über Spezies- und Temperaturverteilungen in der Flammenregion sind wichtig zum vollständigen Verständnis der physikalisch-chemischen Prozesse in reagierenden Scherschichten. Diese Datensätze wurden mit verschiedenen numerischen Simulationen verglichen. Somit war es möglich die in den Simulationsprogrammen implementierten physikalischen Modelle zu verifizieren bzw. deren Gültigkeitsgrenzen anzugeben.

This work is concerned with the problems that appear in the modeling of combustion chambers. The complexity of the dominant phenomena, which determine the integral performance characteristics of propulsion systems, is discussed. Based on this discussion it is shown that, in the near future, it is unlikely that CFD techniques will be able to accurately predict real combustion processes over various operating points and combustion chamber geometries. This is mostly a problem of computer capacity, because the precision of the calculation, for example the resolution of important physical scales depends primarily on the numerical algorithms implemented and the available computing power. Therefore in the future parallel programming techniques will prevail more and more on the CFD-sector which will run on very capable computer architectures. Accordingly it is conceivable that in future the Large-Eddy-Simulation will be more important. But also very complex models which nowadays can not be used, since they retard the program, will be utilized more and more. In addition to the numerical and theoretical work, emphasis is also be made on the development of more reliable and accurate experimental methods. In this work studies of a combustion chamber are performed using shadowgraphs, OH- and H2O-Imaging techniques. Experimental datasets about species and temperature distributions in flameregions are important for the entire understanding of the physical-chemical processes in reactive shear layers. These datasets were compared with various numerical simulations. Thus it was possible to verify and to specify the limits of the physical models implemented in the simulation programs.