Ziel dieser Arbeit war es, eine verläßliche Methode zur Berechnung der Abgasstrahlen von Kleintriebwerken unter Weltraumbedingungen mit N2 und H2 als Testgas zu entwickeln. Im Vergleich mit Ergebnissen unterschiedlicher Meßtechniken aus der Simulationsanlage für Treibstrahlen in Göttingen (STG) sollte ein genauerer Einblick in das Strömungsfeld verschiedener kommerzieller Düsengeometrien gewonnen werden. Trotz seiner auf den ersten Blick relativ einfachen Struktur stellt das Strömungsfeld einer solchen Düse hohe Anforderungen an das verwendete Lösungsverfahren. Es gilt, die Expansion des Gases von den Ruhebedingungen, welche bei mehreren Bar Druck liegen können, bis in den freimolekularen Bereich mit allen möglicherweise auftretenden Nichtgleichgewichtseffekten zu berücksichtigen. Hier bot sich die Direktsimulation als erprobtes Verfahren an. Sie bietet den Vorteil, prinzipiell im gesamten Strömungsgebiet korrekte Ergebnisse zu liefern. Dem steht jedoch besonders im kontinuumsnahen Bereich ein enormer Aufwand an Rechenzeit entgegen. Bei den typischen Dichten im Strömungsfeld einer Düse mit Reynoldszahlen von 400 - 3600 ist an eine Direktsimulation des Gases mit vertretbarem Zeitaufwand nicht mehr zu denken. Daher wurde für den Bereich der Düsenströmung, welcher sich im Gleichgewicht befindet, ein Lösungsverfahren für die Navier-Stokes-Gleichungen gewählt. Hierdurch ergibt sich die Notwendigkeit, den Informationstransport von der makroskopischen Beschreibung der Strömung, wie sie die Navier-Stokes-Gleichungen liefern, in die mikroskopischen Sichtweise der Direktsimulation zu ermöglichen. Letztlich müssen aus makroskopischen Strömungsgrößen Teilchenflüsse und schließlich die Teilchen selbst erzeugt werden. Auch die Konsistenz der verwendeten Modelle, etwa der Relaxation innerer Energien, ist zu beachten. Mithilfe der Kombination von Navier-Stokes-Rechnungen mit der Direktsimulation können Düsenströmungen im Vakuum bis hin zu recht hohen Reynoldszahlen bei vertretbarem Zeitaufwand berechnet werden. Die Rechenzeit eines typischen Falles beträgt auf einem handelsüblichen PC ca. 150 h. Die üblichen Modellparameter für Navier-Stokes und die Direktsimulation sowie die Ruhebedingungen und die Geometriedaten führen für diese Anwendungsfälle zur zufriedenstellenden Übereinstimmung mit unabhängig von den Rechnungen ausgeführten Experimenten, d.h. es ist keine Anpassung weiterer Modellparameter aus den Vergleichsexperimenten nötig. Über den Vergleich mit Meßergebnissen hinaus liefert das Verfahren Daten auch in Bereichen, etwa dem Rückstromgebiet, die experimentell nur schwer zugänglich sind.
Kopplung von Navier-Stokes- und Direktsimulations-Verfahren in Düsenfreistrahlen
2003
113 Seiten, Bilder, Tabellen, 88 Quellen
Theses
German
Düsenströmung , Freistrahl , Navier-Stokes-Gleichung , Gasströmung , Stickstoff , Wasserstoff , Weltraum , Raumfahrzeug , Steuerung und Regelung , Lageregelung , experimentelle Untersuchung , numerische Strömungssimulation , Reynolds-Zahl , Spannungstensor , Wärmestrom , Geschwindigkeitsfeld , direkte numerische Simulation
Numerische Feldverfahren, Navier-Stokes-Verfahren
Springer Verlag | 2020
|Wiley | 2019
|Efficiency of Navier-Stokes Solvers
AIAA | 1977
|compare-all-navier-stokes-datasets.sh
DataCite | 2021
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