Laminar-turbulente Transition mit chemischem (Nicht-) gleichgewicht in hypersonischen Grenzschichtströmungen

Modellierung der Rauigkeit und Machzahlverteilung um die Wiedereintrittskapsel mit aufgebrachtem Rauigkeitsfeld

Motivation

Von Raummissionen zurückkehrende Kapseln, die in die Atmosphäre wiedereintreten, sind extremen Temperaturen und Wärmelasten ausgesetzt, was zur Ablation führen kann. Die ursprünglich glatte Oberfläche wird dadurch zusätzlich aufgeraut, was in einer sonst laminaren Strömung zu Instabilitäten und zu laminar-turbulenter Transition führen kann. Die dabei auftretenden Wärmelasten können sogar die turbulenten Werte deutlich übersteigen. Dieser sich selbst verstärkende Effekte kann zu einem katastrophalen Versagen des Raumfahrzeugs führen. Der Einfluss der chemischen Modellierung in sehr heißen Grenzschichten im Gleichgewicht und Nicht-Gleichgewicht auf das Verhalten der Strömung ist der Hauptschwerpunkt der numerischen Arbeit.

Lösungsversuch

Direkte Numerische Simulationen (DNS) werden auf nationalen HPC Einrichtungen wie SuperMUC und HLRS durchgeführt. Ergebnisse zeigen, dass durch Rauigkeit hervorgerufene Wirbel in der Grenzschichtströmung erhöhte Instabilität verbunden mit chemischen Reaktionen und Ungleichgewichtseffekten hervorrufen.

DNS Ergebnisse (Q-Kriterium) von rauigkeitsinduzierten Wirbeln in der Grenzschicht der Kapsel. Der Nachlauf der Rauigkeiten wird instabil und laminar-turbulente Transition findet statt.