Auslegung und Charakterisierung eines dreidimensionalen Scramjet-Einlaufs mit hohem Verdichtungsverhältnis und variabler Innenkontraktion

Abstract

Diese Arbeit als Bestandteil des Graduiertenkollegs GRK-1095 „Aero-thermodynamische Auslegung eines Scramjet-Antriebssystems für zukünftige Raumtransportsysteme“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) befasst sich mit Untersuchungen an Scramjet-Einläufen mit hohen Verdichtungsverhältnissen, wobei der Schwerpunkt darin lag, den Übergang von vormals vorherrschenden zweidimensionalen zu dreidimensionalen Geometrien zu erreichen. Dazu wurde zunächst der bestehende zweidimensionale Doppelrampen-Einlauf GK-01 der ersten Leitkonfiguration des Graduiertenkollegs modifiziert, um mit diesem Erkenntnisse über Aspekte zu erlangen, auf die bei der Auslegung einer neuen, vollständig drei-dimensionalen Einlaufgeometrie besonderes Augenmerk gelegt werden muss. Dies betraf insbesondere die aerodynamischen und aerothermodynamischen Auswirkungen durch zusätzliche Seitenwandkompression sowie Veränderungen beim Innenkontraktionsverhältnis des Einlaufs. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde mittels einer CFD-Parameterstudie die Einlaufgeometrie der neuen dreidimensionalen Gesamtkonfiguration des Graduiertenkollegs festgelegt. Das Betriebsverhalten des auf Basis dieser Parameterstudie entwickelten und gefertigten Einlaufmodells GK-3D wurde anschließend im Hyperschallwindkanal H2K der Abteilung Überschall- und Hyperschalltechnologien des DLR in Köln eingehend an unterschiedlichen Betriebspunkten und bei verschiedenen Bedingungen experimentell untersucht.

Die Einlaufströmung wurde in den Windkanalversuchen mit Strömungsvisualisierung durch Schattenaufnahmen und Wand- und Pitotdruckmessungen erfasst. Für das neu ausgelegte GK-3D-Modell wurde ein Druckmessrechen entwickelt, der neben Pitotröhrchen auch über statische Drucksonden verfügt. Zudem wurde der Massenstrom mit einer Drossel gemessen, mit der auch der Brennkammergegendruck variiert wurde, um die Grenzen des Betriebsbereichs des Einlaufs zu ermitteln. Die Wärmelasten auf den externen Verdichtungsrampen wurden mittels Infrarot-Thermografie bestimmt.

Die zusätzliche Seitenwandkompression im modifizierten 2D-Einlauf verursachte starke Änderungen der externen Strömung, die das Startverhalten des Einlaufs negativ beeinflussten. Dadurch war eine optimale Anpassung der Lippenposition an die veränderte Strömungsstruktur nicht möglich, so dass mit dieser Art der Seitenwandkompression, im Gegensatz zu zusätzlichen seitlichen Kompressionskeilen im internen Strömungskanal, aufgrund des größeren Spillage-Massenstroms keine bedeutend höhere Verdichtung erzielt werden konnte. Die Eckenwirbel waren bei zusätzlicher Seitenwandkompression deutlich stärker und wurden durch die Interaktion mit dem zweiten Rampenstoß nochmals enorm verstärkt, wodurch die Grenzschichten in weiten Bereichen der externen Rampen ablösten. Im 2D-Fall und bei interner Seitenwandkompression war es möglich, die Innenkontraktion deutlich zu erhöhen und durch den zusätzlich eingefangenen Massenstrom die Effizienz zu steigern.

Zur Untersuchung des Betriebsverhaltens des neuen 3D-Einlaufs wurden das Startverhalten, der Einfluss der Innenkontraktion, der Reynoldszahl und die Änderung der Flugbahnwinkel betrachtet. Das Startverhalten stimmte dabei gut mit Erfahrungswerten von anderen 3D-Einläufen überein. Die Innenkontraktion hatte keine entscheidenden Auswirkungen auf das Strömungsfeld und das Leistungsvermögen des Einlaufs. Die Grenzen des Betriebsbereichs verschoben sich mit steigender Innenkontraktion jedoch zu höheren Druckverhältnissen. Die Stoß-Grenzschicht-Interaktion des Rampenstoßes mit der Haubenoberfläche, die bei Fällen mit hoher Innenverdichtung auftritt, erwies sich nicht als problematisch. Dies war auch bereits bei den Voruntersuchungen mit dem modifizierten 2D-Einlauf der Fall. Größere Auswirkungen ergaben sich durch Flugbahnwinkel, welche die effektiven Kompressionswinkel der Rampe bzw. der Seitenwände und den Fangquerschnitt verändern und damit auch die Druck- und Massenstromverhältnisse. Hinsichtlich eines sicheren Betriebs sind vor allem hohe positive Anstellwinkel als kritisch einzustufen, da die Druck- und Massenstromverhältnisse derart stark absinken, dass die Zündung und Stabilität der Verbrennung eventuell nicht mehr gewährleistet sind. Die Variation der Reynoldszahl lieferte nur kleine Einflüsse auf das Leistungsvermögen und die Effizienz des Einlaufs im ungedrosselten Betriebsfall. Die Betriebsgrenzen lagen bei hoher Reynoldszahl jedoch deutlich niedriger, das Blockieren der Einlaufströmung passierte viel schneller (d.h. bei niedrigeren Brennkammergegendrücken). Mit IR-Thermografie konnten Erkenntnisse über die Höhe der maximalen auftretenden Wärmelasten und die Orte, an denen sie auftreten, erlangt werden. Diese und besonders auch deren Position änderten sich stark bei Variation der Flugbedingung, vor allem durch Flugbahnwinkel. Es konnten daraus jedoch keine genaueren Einblicke in die Strömungsstruktur auf den externen Rampen, vor allem das Transitionsverhalten, gewonnen werden.

Zudem wurden alternative, analytische Auslegeverfahren basierend auf Streamline-Tracing betrachtet, um die hier angewandte und mit hohem Arbeitsaufwand verbundene Auslegungsstrategie einer Parameterstudie effizienter zu gestalten. Dazu wurden ein REST-Einlauf und ein Einlauf auf Basis einer Busemannströmung entwickelt, denen jeweils die gleichen Flächenverhältnisse wie beim GK-3D-Einlauf zugrunde liegen. Das Auslegungsverfahren für REST-Einläufe erwies sich dabei als nur sehr eingeschränkt tauglich für die vorliegenden hohen Verdichtungsverhältnisse, da die so erlangten Einlaufgeometrien extrem lang werden und somit ungeeignet für das hypothetische Flugexperiment des GRK-Teilprojekts C1 wären. Basierend auf Busemann-Strömungen war es möglich, Einlaufgeometrien zu erlangen, die zwar immer noch länger als der GK-3D-Einlauf waren, aber deutlich kompakter gestaltet werden konnten als die REST-Einläufe. Mit diesen Einläufen konnten zudem bedeutend höhere Wirkungsgrade erzielt werden als mit den anderen Konfigurationen. Jedoch lag deren Leistungsvermögen in Form der Verdichtungs- und Temperaturverhältnisse geringfügig niedriger als das des 3D-Einlaufs.

This work as a part of the Research Training Group GRK-1095 “Aerothermodynamic Design of a Scramjet Propulsion System for Future Space Transportation Systems” is concerned with investigations on Scramjet inlets with high compression ratios. The main focus was to achieve the switch from former two-dimensional to three-dimensional configurations. The existing 2D-inlet GK-01 of the GRK was modified in order to gain insight into aspects relevant to the design of new completely three-dimensional inlet geometries. In this regard, the aerodynamic and aerothermodynamic impact of additional sidewall compression and changes of the internal contraction were of particular concern. Based upon the outcome of this preliminary investigation, the new inlet was designed by a parametric CFD-study. The operational behaviour of the inlet was then examined experimentally in the hypersonic windtunnel H2K of the Supersonic and Hypersonic Technologies Department of the German Aerospace Centre in Cologne.

In the experiments, the flow is analysed by shadowgraph images for flow visualization, wall and Pitot pressure measurements. For the new inlet, a pressure measurement rake containing static pressure probes besides Pitot tubes was developed. The inlet mass flow is measured by a conical throttle which is also used to impose backpressure on the inlet isolator in order to determine the limits of the operational range of the inlet. Furthermore, the heat loads on the external ramps of the inlet were determined by infrared thermography.

For the 2D-inlet, the addition of sidewall compression caused strong changes in the external flowfield which had a negative impact on the starting behaviour of the inlet. Because of this, an optimal adaption of the lip position to the modified flow structure is not possible. Due to the consequent increase of the spillage mass flow, no significant gains in the compression level of the inlet is possible. The corner vortices are much stronger when additional sidewall compression is present and they are further enhanced by the interaction with the second ramp shock. This causes the boundary layer in large areas of the external ramps to separate. In the 2D-case and those with internal sidewall compression, it was possible to significantly raise the internal contraction ratio. With the additional mass flow that is captured, the efficiencies were increased as well.

For the newly designed 3D-inlet, the starting behaviour and the effects of internal contraction, Reynolds number variation and changes of flight path angles were considered in the experiments. The starting behaviour was found to agree well with experience from other examinations with 3D-inlets. The internal contraction ratio did not have significant impact on the flowfield and performance of the inlet. However, the limits of the operational range shifted to higher backpressure levels when the internal contraction was increased. The shock-boundary layer interaction of the ramp shock at the cowl surface, which occurred for configurations with high internal contraction, did not result in any negative effects. The same was already observed for the preliminary investigations with the modified 2D-inlet. Flight path angles, by which the effective compression angle of the inlet ramp and sidewalls and the capture area of the inlet are changed and thus the pressure and mass flow ratios as well, proved to have more influence on the flowfield and performance. Regarding the safe operation of the inlet, high positive angles of attack are regarded critical as the massflow and compression ratios are reduced significantly and thus ignition and stable combustion might not be ensured any more. Variation of Reynolds number had only little impact on the performance and efficiencies of the inlet in the unthrottled case. However, the limits of the operational range were much lower and inlet unstart occurred sooner for higher Reynolds numbers. The data from the IR-measurements gave insight into maximum heatloads. Their extent and the locations where they occur change significantly when the flight condition is altered, especially by changes in the flight path angle. However, no further insight into the detailed structure of the flow over the external compression ramps, especially into the transitional behaviour, could be gained from the evaluation of the heatloads.

In addition to the work with the new 3D-inlet, alternate design procedures based on streamline-tracing were examined for a more efficient design process with respect to the enormous work load associated with the design strategy of a numerical parametric study as it was employed in the current work. To do so, two further inlet geometries were designed: a REST-inlet and an inlet based upon a Busemann-flowfield, for both of which the same area ratios as for the GK-3D-inlet were used. REST-inlets did not seem a practical solution for the current flow conditions and subsequent high pressure ratios that are required, as REST-inlet geometries tend to become very long and thus would not be suitable for the hypothetic flight configuration of the GRK-subproject C1. However, based upon Busemann-flowfields, it was possible to design much more compact geometries as compared to the REST-inlets. With these, it was possible to achieve higher degrees of efficiency than the GK-3D-inlet although the performance levels in terms of static pressure and temperature ratios were somewhat lower.