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.
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.
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.
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.
Im Rahmen des DLR internen Forschungsprojektes IMENS-3C wurde ein generisches Windkanalmodell zur Untersuchung der Transitionsverzögerung mittels poröser Oberfläche entworfen und gefertigt. Hierbei handelt es sich um einen stumpfen Kegel mit einem halben Öffnungswinkel von 7° und austauschbarer Kegelspitze. Das Modell hat eine Gesamtlänge von 1100 mm und ist mit einem Einsatz aus poröser C/C-Keramik ausgestattet. Abbildung 5 zeigt das Modell im Fertigungsprozess zusammen mit einer vergrößerten Ansicht der porösen Oberfläche.
Die poröse Keramik (C/C) wurde vom Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung des DLR Stuttgart gefertigt und für die Windkanalversuche zur Verfügung gestellt. Das vollständig instrumentierte Modell wurde im Hochenthalpiekanal Göttingen (HEG) bei Mach 7.4 getestet.
Die experimentellen Untersuchungen zeigten einen deutlichen Dämpfungseffekt der porösen Oberfläche auf die Grenzschichtinstabilitäten. Daraus resultierte eine deutliche Verzögerung der Transition.
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:
Weitere Veröffentlichungen von Viola Wartemann und Alexander Wagner .