Forschung im HLRN-Verbund 2011

150Numerisches StörfeuerNumerische Simulationen zur Wirkungsweise laserinduzierterBeeinflussungsmethoden für HochgeschwindigkeitsgrenzschichtenR. Radespiel, D. Heitmann, Institut fürStrömungsmechanik, TU BraunschweigKurzgefasst• Beim Wiedereintritt treten große Wärmelastenan Raumfahrzeugen auf.• Diese lassen sich nicht genau abschätzen undein Teil der Unsicherheit resultiert aus ungenauenVorhersagen des Grenzschichtumschlagesvon laminar zu turbulent. Daher werden hierdie zur Transition führenden Mechanismen an einemgenerischen Modell untersucht.• Die Transition ist Folge des Anwachsens und derEntwicklung von Instabilitätswellen in der Grenzschicht.• Derartige Wellen können durch Einbringenkünstlicher Störungen numerisch und experimentellerzeugt werden. Hier werden kleine Explosionenim Strömungsfeld generiert.• Die Simulationen dieses Vorgangs sind aufgrundder vielen beteiligten kleinskaligen Einflussgrößensehr rechenaufwendig.Das Strömungsfeld eines umströmten Körpers läßtsich in zwei Bereiche einteilen, den Bereich derAußenströmung, in dem die Viskosität des Gasesvernachlässigbar ist, und einen dünnen, wandnahenBereich, genannt Grenzschicht, in dem derviskose Austausch von Impuls und Energie einewesentliche Rolle spielt. In der Grenzschichtfällt die Geschwindigkeit der Strömung von demWert der Außenströmung steil auf den Wert Nullan der Wand ab. Ferner führt bei einer Hyperschallströmungdie viskose Dissipation zur Bildungeiner Temperaturgrenzschicht und unter realenFlugbedingungen zu einer starken Aufheizung,weshalb ein Hitzeschutz vorgesehen werdenmuss. Wird die Wand turbulent umströmt ist derWärmeeintrag wesentlich größer als bei einer laminarumströmten Wand und die ungenauen Vorhersagendes Umschlagpunktes laminar/turbulent bedingenein überdimensioniertes und damit schwereresHitzeschutzsystem. Trotz jahrzehntelangerBemühungen kann der Umschlagpunkt nur ungenauvorhergesagt werden und die zur Transitionführenden Mechanismen sind insbesondere fürStrömungen im hohen Überschallbereich bis heutenicht geklärt. Daher werden in diesem Projektan einem generischen Kegelmodell diese Mechanismenuntersucht.Das Transitionsszenario besteht aus drei Schritten:1) Rezeptivität, in diesem Schritt gelangenkleine Störungen der Anströmung in die Grenzschicht2) dem exponentiellen Anwachsen einzelnerModen in der Grenzschicht. Dieser Abschnittkann mit einer vereinfachenden Stabilitätstheoriebeschrieben werden. 3) dem nicht-linearen Zusammenbruchder Störung zu einem turbulentenGebiet. Alle drei Schritte sind für eine Hochgeschwindigkeitsgrenzschichtkomplizierter als fürden Niedergeschwindigkeitsbereich, wo die Fluiddichtenäherungsweise konstant ist. Insbesonderetreten im Hyperschall zusätzliche Instabilitäten, sogenannteMack’sche Moden auf, und die Zahl freierParameter in den Stabilitätsbetrachtungen ist ungleichgrößer als bei Unterschallströmungen.Insbesondere die ersten beiden Schritte derTransition werden in diesem Vorhaben sowohl experimentellals auch numerisch untersucht. Dazuwerden künstliche Störungen in das Strömungsfeldeingebracht. In den Experimenten wird ein gepulsterLaser auf einen Punkt oberhalb des Modellsfokussiert. Wenn während des Laserpulses einebestimmte Energiedichte überschritten wird, ist dieLuft nicht länger transparent und die Laserstrahlungwird absorbiert. Dies führt zur Bildung einesPlasmas, welches in kurzer Zeit wieder rekombiniert,so daß nach wenigen Mikrosekunden lediglichein erhitztes Gasvolumen und eine sich ausbreitendeStoßwelle übrig bleiben. Diese Stoßwelletrifft auf die Grenzschicht und stellt hier einepulsförmige Anregung dar, welche im weiteren Verlaufzur Bildung einer Instabilitätswelle führt, siehe[1].In den Experimenten sind allerdings nur Messungenan diskreten Positionen auf der Modelloberflächemöglich. Somit läßt sich beispielsweiseder Rezeptivitätsprozess nur indirekt beobachten.Aus diesem Grund wird das Experiment zusätzlichmittels direkter numerischer Simulationen (DNS)nachgestellt. Unter einer DNS versteht man die numerischeLösung der vollständigen Navier-Stokes-Gleichungen. Dies geschieht bei dem verwendetenStrömungslöser [2] auf einem Rechennetz, beidem die einzelnen Punkte diskrete Abstände zu ihrenNachbarpunkten haben. Um auch kleinskaligeStrömungsstrukturen aufzulösen sind sehr kleineZellgrößen und Zeitschrittweiten erforderlich, sodass ein sehr hoher Rechenaufwand erforderlichist. Die Simulationen ermöglichen zum einen genauereEinblicke als die Messungen an einzelnenPunkten im Experiment und zum anderem erlaubtIngenieurwissenschaften