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.
Abb. 2b: DNS Kontur der wandnormalen Geschwindigkeit: Mack-Moden-Entwicklung über eine poröse Wand mit einer Porösität von 0,25 (16 Poren) beim selben Zeitschritt
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.
Abb. 3a: Eigenfunktion der wandnormalen Geschwindigkeit - glatte Wand
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.
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.
Grenzschichtströmung über eine poröse Wand
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.
Kegelmodell mit C/C-Einsatz im Fertigungsprozess sowie vergrößerte 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.
Wavelet-Analyse
Abb. 6: Wavelet-Analyse der Druckschwankungen in der Grenzschicht auf der glatten und porösen Wand - eine deutliche Dämpfung der Grenzschichtinstabilitäten auf der porösen Wand ist erkennbar.
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:
Sandham, N.D., Lüdeke, H.: "A numerical study of Mach 6 boundary layer stabilization by means of a porous surface," AIAA-Journal Vol. 47, No. 9, September 2009
Wartemann, V., Lüdeke, H., Sandham, N.D.: "Stability analysis of hypersonic boundary layer flow over microporous surfaces", 16th AIAA / DLR / DGLR International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, Bremen, Germany, 19-22 October 2009
Lüdeke, H.; Wartemann, V.; Sandham, N.: "Investigation of Transition Control by Porous surfaces in Hypersonic Boundary Layers" veröffentlicht in: New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics VII, Vol. 112, Springer-Verlag, 2010
Wartemann, V.; Lüdeke, H.: "Investigation of Slip Boundary Conditions of Hypersonic Flow over microporous Surfaces", V European Conference on Computational Fluid Dynamics, ECCOMAS CFD, Lisbon, Portugal, 2010
Wartemann, V.; Lüdeke, H.; Willems, S.; Gülhan, A.: "Stability analyses and validation of a porous surface boundary condition by hypersonic experiments on a cone model", 7th Aerothermodynamics Symposium, Brugge, Belgium, 9 - 12 May, 2011
Wagner, Alexander und Laurence, Stuart und Martinez Schramm, Jan und Hannemann, Klaus und Wartemann, Viola und Lüdeke, Heinrich und Tanno, Hideyuki und Ito, Katsuhiro (2011) Experimental investigation of hypersonic boundary-layer transition on a cone model in the High Enthalpy Shock Tunnel (HEG) at Mach 7.5. 17th AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, 11. - 14. Apr. 2011, San Francisco, USA. DOI: 10.2514/6.2011-2374
Wagner, Alexander und Hannemann, Klaus und Wartemann, Viola und Tanno, Hideyuki und Ito, Katsuhiro (2012) Free piston driven shock tunnel hypersonic boundary layer transition experiments on a cone configuration. RTO-MP-AVT-200: Hypersonic Laminar-Turbulent Transition , 16. - 19. April 2012, San Diego, California, USA
Wagner, Alexander und Hannemann, Klaus und Kuhn, Markus (2012) Experimental investigation of hypersonic boundary-layer stabilization on a cone by means of ultrasonically absorptive carbon-carbon material. 18th AIAA/3AF International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, 24. Sept. - 28. Sept. 2012, Tours, France. DOI: 10.2514/6.2012-5865
Wagner, Alexander und Hannemann, Klaus und Eggers, Thino (2012) Recent Aerothermodynamic Studies in the High Enthalpy Shock Tunnel Göttingen (HEG). International Symposium on Hypersonic Aerothermodynamics - Recent Advances, 09. - 13. Dec. 2012, Bangalore, India
Wagner, Alexander und Wartemann, Viola und Hannemann, Klaus und Giese, Tobias (2013) Hypersonic boundary-layer stabilization by means of ultrasonically absorptive carbon-carbon material, Part 1: Experimental Results. 51st AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, 07. - 10. Jan. 2013, Grapevine, Texas, USA. DOI: 10.2514/6.2013-270
Wagner, Alexander und Wartemann, Viola und Hannemann, Klaus und Eggers, Thino (2013) Experimental Investigations of Hypersonic Boundary-Layer Stabilization by means of Porous Surfaces. Texas A&M University Seminar, 11.01.2013, College Station, Texas, USA
Wagner, Alexander und Wartemann, Viola und Kuhn, Markus und Martinez Schramm, Jan und Hannemann, Klaus (2013) Experimental investigation of hypersonic boundary layer transition delay by means of ultrasonically absorptive carbon-carbon material in the High Enthalpy Shock Tunnel Göttingen (HEG). Lecture Series on high-speed laminar-turbulent transition, 30.-31.05.2013, Brüssel, Belgien
