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Autor:

Göbel, Florian

Originaltitel:

Investigation of Gas Radiation in High Enthalpy Flows

Übersetzter Titel:

Untersuchung von Gasstrahlung in Hochenthalpieströmungen

Jahr:

2013

Typ:

Dissertation

Einrichtung:

Universität der Bundeswehr München, Fakultät für Luft- und Raumfahrttechnik

Betreuer:

Mundt, Christian, Univ.-Prof. Dr.-Ing.

Gutachter:

Mundt, Christian, Univ.-Prof. Dr.-Ing.; Steelant, Johan, Prof. Dr. ir.

Format:

PDF

Sprache:

Englisch

Schlagworte:

Strahlungstransport ; Raketentriebwerk ; Brennkammer ; Wiedereintritt ; Numerische Strömungssimulation

Stichworte:

Radiative Transfer, Rocket Combustion Chambers, Re-entry Flows, CFD Simulation

Übersetzte Stichworte:

Strahlungstransport, Raketenbrennkammern, Wiedereintrittsströmungen, CFD Simulation

DDC-Notation:

533.217

Kurzfassung:

Radiative heat transfer is analyzed in rocket combustion chambers and in the flow around a re-entry vehicle. To do so, the governing equations of the P1 radiation transport model are derived, afterwards discretized using the Finite Volume Method and finally implemented in the CFD solver NSMB. For spectral integration, different models are combined with the P1 radiation model. For radiative heat transfer in rocket combustion chambers Weighted Sum of Gray Gases Models (WSGGM) are identified for spectral modeling and their governing equations with the P1 model are derived to implement them in NSMB. For radiative heat transfer in re-entry flows, a spectral model is developed based on a Full Spectrum k-Distribution (FSK) using the spectral database PARADE. The model is applicable to nonhomogeneous media with varying temperature and mole fractions. The governing equations of the P1 model in conjunction with this model are derived and the model is also implemented in NSMB. All models for radiative heat transfer are validated in several one-dimensional cases and show good agreement with analytical solutions. The sole P1 model yields an error below 5 %. The combination of the P1 model and the WSGGM gives satisfactory results. The FSK reproduces nearly exact results with errors below 1 % for homogeneous media. For nonhomogeneous media, the Multi Group Full Spectrum Correlated k-Distribution (MGFSCK) reduces devia-tions of the FSK from over 250 % to below 10 %. Radiative transfer in rocket combustion chambers is analyzed using the P1 model and several WSGGM for H2/O2 and CH4/O2 combustion. The results reveal that simple WSGG models yield nearly the same radiative wall heat flux (RWHF) with less computational efforts than more complex WSGGM. Using WSGGM appropriate for nonhomogeneous media decreases the RWHF. An enlarged chamber volume increases the RWHF. The influence of radiation on the flow is investigated in a loosely coupled simulation, revealing a negligible effect. For CH4/O2 combustion the maximum relative RWHF decreases compared to H2/O2 combustion. The maximum local ratio of the RWHF and total wall heat flux (TWHF) is between 8-10 % near the injector face plate while the integrated ratio is below 3 % for both propellant combi-nations. The analysis reveals a small influence of radiation on the heat loads in the combus-tion chambers investigated. The second system analyzed is the re-entry of the FIRE II capsule. Several models in NSMB for the simulation of the flow are improved and tested. With a final set of models, the convec-tive wall heat flux (CWHF) as well as the temperature and species number densities lie within 10 % deviation compared to former numerical investigations of the FIREII flight test. A one-dimensional Line-by-Line (LBL) radiative heat transfer analysis along the stagnation line is done afterwards with PARADE. The deviation of this analysis is below 2% in terms of RWHF at the stagnation point with regard to the flight experiment. The P1 model with the MGFSCK yields good accuracy compared to the LBL results with a reduction in computational effort by a factor of nearly 1000. Concerning RWHF at the stagna-tion point, the error is around 20 %. Concerning divergence of radiative heat flux the error is lower than 30 % over most of the stagnation line. The divergence of radiative heat flux predicted by the P1 model with the MGFSCK for the entire domain is coupled in the total energy equation of NSMB to examine the influence of radiation on the flow. It reveals that the CWHF decreases by a maximum of 10 % and the flow properties do not change by more than 5 %. This concludes a minor influence of radia-tion on the flow for the chosen trajectory point of the FIREII flight test. «

Übersetzte Kurzfassung:

Der Wärmeübergang durch Strahlung wird in Raketenbrennkammern und in der Strömung um einen Wiedereintrittskörper untersucht. Dazu werden die Gleichungen des P1 Strahlungs-transportmodells mit Hilfe der Methode der Finiten Volumina diskretisiert und in den CFD Löser NSMB implementiert. Zur spektralen Integration werden verschiedene Modelle mit dem P1 Modell kombiniert: Für den Strahlungswärmetransport in Raketenbrennkammern werden geeignete Weighted Sum of Gray Gases Modelle (WSGGM) mit dem P1 Modell ge-koppelt und in NSMB eingebaut. Für den Strahlungswärmetransport in Wiedereintrittsströ-mungen wird ein eigenes Spektralmodell auf Basis der Full Spectrum k-Distribution (FSK) entwickelt und in NSMB implementiert. Alle Strahlungsmodelle werden anhand eindimensionaler Fälle validiert und ergeben eine gute Übereinstimmung mit den analytischen Lösungen. Das P1 Modell weist Abweichungen von unter 5 % auf und auch die Kombination aus P1 Modell und WSGGM ergibt gute Resul-tate. Das FSK Modell reproduziert die nahezu exakten Ergebnisse für homogene Medien mit einem Fehler von weniger als 1 %. Für inhomogene Medien reduziert die Multi Group Full Spectrum Correlated k-Distribution (MGFSCK) die Abweichungen des FSK von über 250 % auf weniger als 10 %. Der Strahlungstransfer in Raketenbrennkammern wird mit dem P1 Modell und mehreren WSGGM für H2/O2 und CH4/O2 Verbrennung analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass einfa-che WSGGM mit weniger Rechenaufwand nahezu denselben Strahlungswandwärmestrom vorhersagen wie komplexere WSGGM. Die Verwendung von WSGGM für inhomogene Me-dien verringert den Strahlungswandwärmestrom, wohingegen eine Vergrößerung des Brenn-kammervolumens ihn erhöht. Der Einfluss der Strahlung auf die Strömung wird im Rahmen einer lose gekoppelten Simulation untersucht und ergibt einen geringen Effekt. In der CH4/O2 Verbrennung verringert sich der maximale relative Strahlungswandwärmestrom im Vergleich zur H2/O2 Verbrennung. Das maximale Verhältnis aus Strahlungswandwärmestrom zu kon-vektivem Wandwärmestrom liegt lokal zwischen 8 und 10 % nahe dem Injektor und integral bei unter 3 % für beide Brennstoffkombinationen. Die Untersuchung ergibt einen geringen Einfluss des Strahlungswandwärmestroms auf die Wärmelasten der Brennkammerwände. Das zweite untersuchte System ist der Wiedereintritt der FIRE II Kapsel in die Erdatmosphä-re. Zur Simulation der Strömung werden verschiedene Modelle in NSMB verbessert und ge-testet. Mit diesen Modellen liegen der konvektive Wandwärmestrom sowie die Temperatur und Teilchendichten nahe an den Ergebnissen voriger Simulationen des FIRE II Wiederein-tritts, mit Abweichungen von unter 10 %. Der Strahlungswärmetransport wird zunächst eindimensional entlang der Staupunktstromlinie mit Hilfe von sehr genauen Line-by-Line (LBL) Spektraldaten untersucht. Die Abweichung des Strahlungswandwärmestroms am Staupunkt zu den Ergebnissen des realen Wiedereintritts beträgt weniger als 2 %. Die Kombination aus P1 Modell und MGFSCK liefert gute Ergeb-nisse im Vergleich zur LBL Untersuchung, bei einer Verringerung des Rechenaufwandes um nahezu den Faktor 1000. Die Abweichung des Strahlungswandwärmestroms zur LBL Rech-nung beträgt ca. 20 %, während die Divergenz des Strahlungswärmestroms im Feld größten-teils Abweichungen von unter 30 % aufweist. Die Divergenz des Strahlungswärmestroms, basierend auf dem P1 Modell und dem MGFSCK, wird in die Erhaltungsgleichung der Totalenergie in NSMB gekoppelt. Dies ver-ringert den konvektiven Wandwärmestrom um 10 % und verändert die Strömungsgrößen um weniger als 5 %, was einen geringen Einfluss der Strahlung auf die Strömung für den gewähl-ten Punkt der FIRE II Wiedereintrittstrajektorie ergibt. «

Urn:

urn:nbn:de:bvb:706-3375

Tag der Abgabe der Dissertation:

06.06.2013

Tag der mündlichen Prüfung:

13.12.2013

Eingestellt am:

20.12.2013

Ort:

Neubiberg

Stadt (Autor):

Dortmund