Effective boundary conditions for transpiration cooling applications

  • Effektive Randbedingungen für Transpirationskühlungsanwendungen

König, Valentina; Müller, Siegfried (Thesis advisor); Herty, Michael (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021, 2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Die Verwendung von Transpirationskühlung mit Kohlenstoff/Kohlenstoff(C/C)-Schubkammerauskleidungen gilt als neues innovatives Kühlungskonzept, das zu Verbesserungen in fortschrittlichen Raketentriebwerken führen kann. Zusätzlich zu Experimenten bieten numerische Strömungssimulationen eine effiziente und kostengünstige Möglichkeit, die physikalischen Phänomene der Transpirationskühlung zu untersuchen. In der vorliegenden Arbeit wird ein effektives Modell entwickelt, das die Transpirationskühlung unter Berücksichtigung von mikroskaligen Effekten an der Grenzfläche zwischen einer Heißgasströmung und einer Porösen-Medium-Strömung simuliert ohne die mikroskaligen Poren aufzulösen. Die Herleitung der allgemeinen Strategie basiert auf Upscaling und besteht aus drei Modellen: dem Multiskalenmodell, dem Nullte-Ordnung-Modell und dem effektiven Modell, wobei die beiden letzteren auf der Mikroskala operieren. Hier beschreibt das Multiskalenmodell die lokale Injektion eines Kühlmittels durch eine große Anzahl von Injektionskanälen in Porengröße. Dieses wird zur Herleitung geeigneter Zellprobleme und zur Validierung des effektiven Modells aufgestellt. Für letzteres werden effektive Randbedingungen unter Verwendung eines Upscaling-Ansatzes entwickelt. Zur Validierung des effektiven Modells werden numerische Berechnungen vorgestellt. Des Weiteren wird der Einfluss der mikroskaligen Effekte auf den Wärmetransport bei turbulenter Strömung über einemporösen Material untersucht. Alle Berechnungen basieren auf Windkanalversuchen, die am ITLR Stuttgart mit einer am DLR Stuttgart hergestellten porösen C/C-Probe durchgeführt wurden. Für die Einblasrate F = 0,1% werden die numerischen Lösungen der drei Modelle hinsichtlich der Temperaturverteilung, der Wandschubspannung, des Wandwärmestroms und der Kühleffizienz miteinander verglichen. Die numerischen Berechnungen zeigen, dass die vorhergesagte Kühleffizienz bei einer lokalen Injektion (Mikroskala) im Vergleich zu einer gleichmäßigen Injektion (nullte Ordnung) reduziert wird. Dieser Effekt spiegelt sich in der effektiven Berechnung wider. Somit liefert das effektive Modell eine genauere Näherung als die Nullte-Ordnung-Lösung. Weiterhin ist das effektive Modell im Vergleich zu einer voll aufgelösten Multiskalenberechnung wesentlich effizienter wie ein Vergleich der Anzahl der Gitterzellen und der Rechenzeiten belegt.

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