Kryogene Hochdruck-Raketenverbrennungsmotoren werden bereits seit vielen Jahren erfolgreich eingesetzt. Heute besteht eine neue Herausforderung darin, Leistung und Funktionssicherheit der bestehenden Antriebe zu gewährleisten und zeitgleich Betriebs- und Entwicklungskosten zu senken. Aus diesem Grund gewinnt die Anwendung der numerischen Strömungssimulation (CFD) innerhalb des gesamten Entwicklungsprozesses immer mehr an Bedeutung. Moderne Raketenantriebe werden bei sehr hohen Drücken betrieben. Die Treibstoffe werden gleichzeitig bei sehr niedrigen Temperaturen in die Brennkammer eingebracht. In diesem Zustand unterscheiden sich die Stoffeigenschaften erheblich von denen bei atmosphärischem Druck. Um eine aussagekräftige Strömungssimulation durchführen zu können, müssen diese physikalischen Besonderheiten in der thermodynamischen Modellierung abgebildet werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein LES-Verfahren für die numerische Strömungssimulation von Raketenbrennkammerströmungen unter Berücksichtigung von Realgaseinflüssen entwickelt. Die thermodynamischen Eigenschaften werden über eine Peng-Robinson-Zustandsgleichung beschrieben. Auf deren Basis wird eine konsistente, thermodynamische Modellierung für die Schließung des numerischen Lösungsverfahrens hergeleitet. Für die Berechnung von Mischungseigenschaften wird auf das erweiterte Korrespondenzprinzip zurückgegriffen. Hierbei werden Mischungseffekte wie eine überkritische Zweiphasenbildung vernachlässigt. Um mögliche Modellierungsfehler abschätzen zu können, werden diese Phänomene gesondert untersucht. Zur Gewährleistung eines stabilen Löserverhaltens wird das numerische Verfahren an die verwendete nicht-lineare Thermodynamik angepasst. Der entwickelte Strömungslöser wird an den verfügbaren Ergebnissen aus Experimenten und DNS-Untersuchungen validiert. Eine erste Bewertung des Lösers wird mittels der Simulation einer transitionellen H2/O2-Scherschicht vorgenommen. Die Ergebnisse können anhand von DNS-Berechnungen validiert werden und zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit diesen. Aufbauend auf diesen grundlegenden Untersuchungen wird das Verfahren an experimentellen Ergebnissen eines transkritischen Stickstoffjets bewertet. Hierbei werden drei Konfigurationen bei unterschiedlichen Temperatur- und Druckniveaus untersucht. Die experimentellen Ergebnisse werden dabei durch die Simulation nahezu perfekt wiedergegeben. Die untersuchten Testfälle haben deutlich geringere Anforderungen an das numerische Verfahren, als eine echte Brennkammerströmung. Um sicher zu stellen, dass das neu einwickelte Verfahren auch bei diesen Bedingungen in der Lage ist, eine stabile numerische Vorhersage zu treffen, wird eine inerte H2/O2-Koaxialströmung untersucht, die in ihren Randbedingungen einer Raketenbrennkammerströmung entspricht. Es zeigt sich, dass mit dem entwickelten Realgas-Löser eine robuste Berechnung von Strömungen mit sehr hohen Dichte- und Geschwindigkeitsgradienten realisiert werden kann.    «

Kryogene Hochdruck-Raketenverbrennungsmotoren werden bereits seit vielen Jahren erfolgreich eingesetzt. Heute besteht eine neue Herausforderung darin, Leistung und Funktionssicherheit der bestehenden Antriebe zu gewährleisten und zeitgleich Betriebs- und Entwicklungskosten zu senken. Aus diesem Grund gewinnt die Anwendung der numerischen Strömungssimulation (CFD) innerhalb des gesamten Entwicklungsprozesses immer mehr an Bedeutung. Moderne Raketenantriebe werden bei sehr hohen Drücken betrieben....    »