Moderne Hochdruck-Raketentriebwerke werden schon seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich in der Raumfahrt eingesetzt. Dabei wird der Entwicklungsprozess zunehmend durch den Einsatz numerischer Methoden unterstützt, um eine zuverlässige Auslegung der einzelnen Komponenten und insbesondere auch der Brennkammer sicherzustellen. Aktuelle Herausforderungen sind u. a. in einer adäquaten thermodynamischen Modellierung der Treibstoffeigenschaften zu sehen, die sowohl die Strömungssimulation als auch das Verbrennungsmodell umfassen. Diese Notwendigkeit resultiert aus den physikalischen Besonderheiten der Treibstoffe, die sich bei sehr hohen Brennkammerdrücken in Kombination mit kryogenen Einspritztemperaturen bei Raketentriebwerken im Vergleich zu atmosphärischen Bedingungen ergeben. Zusätzliche Komplikationen sind durch eine Wärmefreisetzung in unmittelbarer Nähe der Wand zu erwarten. Diese Problematik ist primär durch reagierende Kühlfilme aufgrund einer kompakteren Bauweise und geänderten Betriebsbedingungen aus dem Gasturbinenbereich bekannt, kann aber auch in Raketenbrennkammern durch die Rekombination von Dissoziationsprodukten in der Nähe gekühlter Wände auftreten. Die daraus resultierende thermale Belastung der Bauteilstruktur muss durch die Verbrennungssimulation wiedergeben werden, um belastbare Ergebnisse für den Auslegungsprozess zu gewährleisten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird das Flamelet-Verbrennungsmodell zunächst für reale Gase weiterentwickelt. Die thermodynamischen Eigenschaften der Treibstoffkomponenten werden dabei auf Basis der volumenkorrigierten Peng-Robinson Zustandsgleichung beschrieben. Eine geeignete Modellierung der Transportgrößen erlaubt darüber hinaus auch die Berücksichtigung der differentiellen Diffusion. Die verwendeten Modellierungsansätze werden verifiziert und anhand geeigneter experimenteller Daten erfolgreich validiert. Die darauf aufbauende Untersuchung laminarer Flamelets zeigt, dass die Realgas-Modellierung die globale Struktur der Flamme nicht signifikant beeinflusst. Unterschiede ergeben sich gleichwohl durch die Berücksichtigung der differentiellen Diffusion im Mischungsbruchraum. Die Analyse der Flammenstruktur in einer Modell-Raketenbrennkammer mittels Realgas-Flamelet-Verbrennungsmodell unterstreicht, dass der Einfluss der differentiellen Diffusion bei H2/O2-Flammen stärker zu bewerten ist, als die konsistente Realgas-Modellierung in Strömungsfeld und Verbrennungsmodell. Eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen konnte hier für die Berücksichtigung der differentiellen Diffusion innerhalb der Reaktionszone erzielt werden. Der Einfluss der Realgas-Modellierung auf den konvektiven Wärmeübergang bei hohen Drücken wird für den Testfall einer turbulenten Rohrströmung diskutiert. Die Problematik reagierender Kühlfilme wird dann durch die numerische Untersuchung eines Testfalls aus dem Bereich der Gasturbinen adressiert. Ein erster Vergleich der OH∗-Verteilung mit experimentellen Ergebnissen zeigt eine grundsätzliche Eignung des k − ε Turbulenzmodells für reagierende Kühlfilme, sofern eine ausreichende Grenzschichtauflösung mit geeigneter Wandbehandlung sichergestellt wird. Hinsichtlich der Verbrennungsmodellierung wird in diesem Kontext der Flamelet-Generated-Manifold (FGM)-Ansatz implementiert und erfolgreich validiert, um teilweise verlöschte Flammenzustände in Wandnähe adäquat beschreiben zu können. Die Parametrisierung der Flamelets erfolgt in Abhängigkeit des Mischungsbruchs sowie einer Reaktionsfortschrittsvariablen. Damit steht nun ein zuverlässiges Verbrennungsmodell als Basis für weitere Entwicklungen und zukünftige Untersuchungen reagierender Kühlfilme zur Verfügung.    «

Moderne Hochdruck-Raketentriebwerke werden schon seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich in der Raumfahrt eingesetzt. Dabei wird der Entwicklungsprozess zunehmend durch den Einsatz numerischer Methoden unterstützt, um eine zuverlässige Auslegung der einzelnen Komponenten und insbesondere auch der Brennkammer sicherzustellen. Aktuelle Herausforderungen sind u. a. in einer adäquaten thermodynamischen Modellierung der Treibstoffeigenschaften zu sehen, die sowohl die Strömungssimulation als auch das V...    »