Supersonic Wake-Jet Interaction on a Rocket Afterbody with Dual-Bell Nozzles

Diese Arbeit befasst sich mit der Wechselwirkung von Nachlauf- und Düsenströmung an einem generischen Trägerraketenmodell, welches mit einer Dual-Bell Düse ausgestattet ist. Die Dual-Bell Düse ist eine höhenkompensierende Düse und verspricht eine höhere Effizienz im Vergleich zu den üblicherweise verwendeten Glockendüsen. Allerdings birgt die Auslegung und der Betrieb einer Dual-Bell Düse noch beduetende Unsicherheiten hinsichtlich des Übergangsprozesses zwischen den beiden Betriebszuständen der Düse sowie der Interaktion mit der externen Strömung. Daher trägt diese Studie zu einem verbesserten Verständnis der Wechselwirkung der Düsenströmung mit einer externen Überschallströmung bei. Die dazu durchgeführten Untersuchungen stützen sich auf experimentellen Messungen und numerischen Simulationen mit RANS und hybriden RANS/LES Methoden.
Die Untersuchungen gliedern sich in zwei Teile. Der erste Teil befasst sich mit einer Reynoldszahlvariation der Düsenströmung, um einen Reynoldszahlbereich zu identifizieren, für den die Ergebnisse des skalierten Modells und einer realen Anwendung vergleichbar sind. Zu niedrige Reynoldszahlen in den Experimenten führen zu einer laminaren Düsenströmung, die ein anderes Übergangsverhalten als eine turbulente Strömung aufweist. Um laminare Bedingungen zu identifizieren werden die experimentellen Messungen mit laminaren Strömungssimulationen, RANS und LES verglichen. Die Daten zeigen, dass der Übergang des Düsenmodus bei laminarer Strömung von der Reynoldszahl abhängt, während er bei turbulenter Strömung unabhängig von der Reynoldszahl ist. Des Weiteren zeigt sich, dass für den erforderlichen Reynoldszahlbereich eine turbulente Strömung nur mithilfe von Zackenband erreicht werden kann. Zudem muss die Tandemdüse des Windkanals modifiziert werden, um ausreichend hohe Reynoldszahlen zu erreichen.
Der zweite Teil dieser Studie befasst sich mit der Interaktion von Nachlauf- und Düsenströmung und ihrer Abhängigkeit von der Geometrie des Hecks und der Auslegung der Düse. Die Geometrievariation des Hecks berücksichtigt verschiedene Längen der Düsenverkleidung mithilfe von Abstandshaltern, um drei verschiedene Charakteristiken der Scherschichtablösung zu erreichen. Bei der langen Konfiguration legt sich die Scherschicht an der Düsenverkleidung deutlich vor dem Düsenende wieder an. Bei der mittleren Konfiguration legt sich die Scherschicht am Düsenende an, wodurch die turbulenten Strukturen direkt mit der Strahlströmung interagieren. Die kurze Verkleidungslänge führt zu einer Scherschicht, die nicht wiederanlegt. Dadurch liegt der Düsenaustritt im Rezirkulationsbereich, der sich unterhalb der Scherschicht ausbildet. Außerdem werden zwei verschiedene Auslegungen der Düse untersucht, die sich durch eine unterschiedliche Stabilität gegenüber Druckschwankungen auszeichnen, wodurch sich sechs Testfälle ergeben. Die experimentellen Messungen umfassen PIV-Messungen, Schlierenvisualisierung und instationären Druckmessungen. Diese Messungen dienen auch als Validierungsdaten für achsensymmetrische RANS- und LES-Simulationen. Mit den numerischen Simulationen ist zudem eine zeitabhängige Variation des Düseneintrittsdrucks möglich, was in Windkanalexperimenten nicht möglich ist. Daher liefern die numerischen Simulationen zusätzliche wertvolle Informationen über die Stabilität des Übergangs der Düsenmodi. Ein instabilen Verhalten liegt für die lange Konfiguration vor, was sich in einem abwechselndes Umschalten zwischen den beiden Düsenmodi äußert und als Flip-Flop Modus bezeichnet wird. Dieses unerwünschte Phänomen kann durch die Wahl einer kürzeren Düsenverkleidung und die Verwendung eines Düsendesigns mit höherer Stabilität gegenüber Druckschwankungen vermieden werden.