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Lokale Strömungserhitzung zur Bugwiderstandsreduzierung im Überschall

Hintergrund

Es ist bekannt, dass eine lokale Strömungserhitzung vor einem stumpfen Überschallkörper zur Änderung der globalen Stoßstruktur stromauf der Nase und somit zur Reduktion des Wellenwiderstands führen kann. Durch widersprüchliche Erkenntnisse aus den bereits veröffentlichten experimentellen und numerischen Untersuchungen lässt sich allerdings keine eindeutige Aussage über das wirkliche Potenzial einer reinen Energieeinbringung ableiten. Es liegt vor allem an den sehr großen Diskrepanzen in den numerisch berechneten und experimentell ermittelten Effekten. Im Rahmen laufender Aktivitäten soll das Potenzial einer lokalen Strömungserhitzung zur Bugwiderstandsreduzierung im Überschall experimentell und numerisch untersucht und der Energieeintrag optimiert werden.

Ergebnisse

Die systematischen experimentellen Untersuchungen zur stationären Energiezufuhr mittels eines elektrischen Gleichstromlichtbogens wurden im Rohrwindkanal Göttingen bei Machzahlen von 3 und 5 durchgeführt. Als Testmodell dienten vereinfachte Zylindermodelle mit halbsphärischer oder kegelförmiger Nase. Die Kegelhalbwinkel wurden zwischen 35° und 65° in 10°-Schritten variiert, um die Effekte der Stoßintensität bei gleicher Heizleistung zu klären. Die Intensität des Gleichstromlichtbogens bzw. die elektrische Leistung an den Lichtbogenelektroden, die im Abstand von 3.7 des Modelldurchmessers vor der Körpernase angebracht waren, wurde in den Versuchen variiert, um die Effekte der Heizleistung bei konstanter Stoßintensität zu untersuchen. Die Heizleistung, die in den Tests tatsächlich der Strömung zugeführt wurde, kann anhand der gemessenen Lichtbogenparameter nur theoretisch bestimmt werden.
Die grundlegenden physikalischen Effekte wurden außerdem mit Hilfe des DLR-eigenen RANS-Strömungslösers TAU numerisch simuliert. Die Strömung mit und ohne Energiezufuhr wurde als 2-D axialsymmetrische turbulente Real-Gas-Strömung behandelt. Als Turbulenzmodell kam das sog. Shear-Stress-Transport Modell (Menter SST) zum Einsatz.

Abb. 1: Fokussierte Strömungserhitzung vor einer kegelförmigen Nase beim Kegelhalbwinkel von 45° und Mach 5 (Schülein & Zheltovodov (2011)). Das Schattenbild links zeigt die Strömung ohne Energiezufuhr und rechts mit dem Effekt eines 2.3kW-Gleichstromlichtbogens im Abstand 3.7D vor dem Körper (1 - Bugstoß, 2 - erhitzter Nachlauf, 3 - indizierter Schrägstoß, 4 - Rezirkulationsblase)

Die numerischen und experimentellen Ergebnisse zeigen in guter Übereinstimmung, dass eine deutliche Reduzierung des Bugwiderstands ausschließlich in den Versuchen und Simulationen nachgewiesen werden konnte, in denen die lokale Energiezufuhr eine überkritische Delle im Gesamtdruckprofil induziert und somit einen sog. „thermal-spike“ Effekt auslöst. Bei der Wechselwirkung der aufgeheizten Nachlaufströmung mit dem Bugstoß entsteht dabei eine Rezirkulationsblase, die sich sehr vorteilhaft auf den Bugwiderstand auswirkt. Die maximale Effizienz der Energieeinbringung wird bei einer Heizleistung erreicht, die minimal notwendig ist, um eine großskalige Rezirkulationsblase vor dem Körper zu induzieren. Durch Reduzierung des Bugwiderstands lässt sich die benötigte Antriebsleistung z.B. bei einem Flugzeug deutlich einsparen. Die Untersuchungen zeigen, dass die eingesparte Antriebsleistung, z.B. für das 55°-Kegelmodell bei Mach 3, das 180-fache der eingebrachten Heizleistung (verlustfreie Betrachtung) oder das 38-fache der eingesetzten elektrischen Leistung am Lichtbogen (Experiment) erreichen kann. Die optimale (kritische) Heizleistung hängt dabei von der Bugstoßintensität ab und entspricht bei den untersuchten stumpfen Körpern (mit Ausnahme des 35°-Kegels) etwa 30% bis 60% des bereits vorhandenen Energieflusses in der kalten Stromröhre, die durch die Energiezufuhr aufgeheizt wurde. Eine weitere Erhöhung der Heizleistung führt zum Sinken der Effizienz.

Veröffentlichungen zum Thema

• Schülein E. , Zheltovodov A.A. (2009) “Effects of Localized Flow Heating by DC-Arc Discharge Ahead of Non-Slender Bodies”, AIAA Paper 2009-7346, 16th AIAA/DLR/DGLR International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference,  19 – 22 October 2009, Bremen (Germany), 15p
• Schülein E., Zheltovodov A.A., Pimonov E.A. and Loginov M.S. (2010) “Experimental and Numerical Modeling of the Bow Shock Interaction with Pulse-Heated Air Bubbles“, International Journal of Aerospace Innovations, Vol. 2 (3), pp.165-187. Multi-Science Publishing Co., UK. ISSN 1757-2258
• Schülein E. , Zheltovodov A.A. (2011) “Effects of Localized Flow Heating by DC-Arc Discharge Upstream of Non-Slender Bodies”, Shock Waves, DOI 10.1007/s00193-011-0307-1 (Published online at http://www.springerlink.com), 15p
• Schülein E. , Bornhöft E. (2011) “Potential of Localized Flow Heating“, ISSW28, 28th International Symposium on Shock Waves, 17. - 22. July 2011, Manchester (UK)