Hyperschall Strömungskontrolle

Eine typische Herausforderung für Wiedereintrittsfahrzeuge ist eine effektive Kontrolle der hypersonischen laminaren/turbulenten Umschlags in der Grenzschicht. Eine turbulente Grenzschicht führt im Vergleich zu einer laminaren Grenzschicht zu bedeutend höheren Reibungswiderständen und somit zu höheren Thermallasten. Es wird an den unterschiedlichsten Strategien zur Verzögerung bzw. Verhinderung der Transition gearbeitet. Eine
Möglichkeit zur Manipulation der Transition ist die Verwendung von porösen Oberflächen, die die Wachstumsrate der zweiten Mode passive dämpft. Die zweite Mode, oder auch Mack Mode genannt, ist die dominierende Mode beim hypersonischen Transitionsprozess [1].

Abbildung 1 zeigt das erste experimentelle Resultat auf diesem Arbeitsgebiet: Ein Windkanal-Experiment eines 5° spitzen Kegels von Rasheed [2]. Die Oberseite des Kegels, welche mit einer glatten Oberfläche versehen ist, zeigt eine turbulente Grenzschicht, wohingegen die Unterseite mit poröser Oberfläche eine laminare Strömung zeigt.

Abbildung 1: Mach 5 Kegelexperiment von Rasheed [2]

Das DLR verwendet zwei unterschiedliche Rechenverfahren, um diesen Effekt numerisch zu untersuchen: Direkte numerische Simulation (DNS), welche durchgeführt wird mit dem FLOWer-4th-order-Code zur Vorhersage der kompletten Strömungslösung über und in den Poren, und ein Stabilitätscode, der sogenannte NOLOT-Code, welcher eine kostengünstige Alternative zur Vorhersagen der Wachstumsraten der Mack-Moden darstellt.

Abbildung 2 zeigt eine Mach6-Grenzschichtströmung: Dargestellt ist die wandnormale Geschwindigkeit. Auf der linken Seite über eine glatte Wand und auf der rechten über eine poröse Wand, was zu einer Reduzierung der Mack-Moden führt. Dies wird sichtbar durch den Vergleich der Größenordnungen der Legenden.

Abbildung 2: DNS (Kontur der wandnormalen Geschwindigkeit): (a) Mack-Moden-Entwicklung über eine glatte Wand und (b) über eine poröse Wand mit einer Porösität von 0,25 (16 Poren) beim selben Zeitschritt

Für diese Fälle (glatte Wand / poröse Wand mit 16 Poren) zeigt Abbildung 3 die Eigenfunktionen errechnet mit DNS und NOLOT, welche eine sehr gute Übereinstimmung zeigen.

Abbildung 3: Eigenfunktion der wandnormalen Geschwindigkeit; (a) glatte Wand und (b) poröse Wand mit 16 Poren

Zur besseren Visualisierung zeigt der nachstehenden Film die Grenzschichtströmung über eine poröse Wand mit 8 Poren (Ma = 6): Die Mack-Moden laufen über die Poren, und diese absorbieren ein Teil der Störungsenergie, was zur Reduzierung der Wachstumsrate der Mack-Moden führt.

Abbildung 4

Aktuelle Aktivitäten

Zurzeit laufen innerhalb des DLR-IMENS-3C-Projekts zwei Experimentreihen mit stumpfem Kegel (versehen mit glatter und poröser Oberfläche). Diese finden in den DLR-Windkanälen HEG und H2K statt.

¹ Mack, L.M. : "Boundary layer linear stability theory". AGARD Special course on stability and transition of laminar flow, 1984.
² Rasheed, A., Hornung, H.G., Fedorov, A.V., Malmuth, N.D.: "Experiments on passive hypervelocity boundary-layer control using an ultrasonically absorptive surface". AIAA Journal, Vol. 40, No. 3, pp. 481-489, 2002.

Veröffentlichungen und Konferenzen:

• Sandham, N.D., Lüdeke, H.: "A numerical study of Mach 6 boundary layer stabilization by means of a porous surface," AIAA-Journal Vol. 47, No. 9, September 2009
• Wartemann, V., Lüdeke, H., Sandham, N.D.: "Stability analysis of hypersonic boundary layer flow over microporous surfaces", 16th AIAA / DLR / DGLR International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, Bremen, Germany, 19-22 October 2009
• Lüdeke, H.; Wartemann, V.; Sandham, N.: "Investigation of Transition Control by Porous surfaces in Hypersonic Boundary Layers" veröffentlicht in: New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics VII, Vol. 112, Springer-Verlag, 2010
• Wartemann, V.; Lüdeke, H.: "Investigation of Slip Boundary Conditions of Hypersonic Flow over microporous Surfaces", V European Conference on Computational Fluid Dynamics, ECCOMAS CFD, Lisbon, Portugal, 2010
• Wartemann, V.; Lüdeke, H.; Willems, S.; Gülhan, A.: "Stability analyses and validation of a porous surface boundary condition by hypersonic experiments on a cone model", 7th Aerothermodynamics Symposium, Brugge, Belgium, 9 - 12 May, 2011