ANSYS CFD Anwendungen in der Entwicklung von Raumfahrtantrieben

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1 ANSYS CFD Anwendungen in der Entwicklung von Raumfahrtantrieben Astrium TP ANSYS Conference & 30. CADFEM Users Meeting TP22-P R. Behr, TP22, 25. Oktober 2012

2 ASTRIUM TP Inhaltsübersicht Raumfahrtantriebe bei Astrium Anwendungsgebiete Brennkammerentwicklung Hydraulik, Verteilungsrechnungen, Druckverluste Wärmeübergang: Heißgasseite Wandmaterial Kühlkreislauf Strömungen in Expansionsdüsen Ablösung bei überexpandierten Strömungen Analyse von Konturdetails Simulation von Triebwerksprüfständen Mechanische und thermische Lasten auf Prüfstandskomponenten Transiente Simulation von Anfahr- und Abschaltvorgängen Ausblick Künftige Aufgaben Erforderliche Simulationsfähigkeiten 19/12/2006 Page 2

3 Raumfahrtantriebe bei Astrium Zentrale Punkte bei der Auslegung sind die möglichst genaue Vorhersage von: Druckverlusten einzelner Komponenten ( Funktion Triebwerkszyklus) Verbrennungswirkungsgrad Leistung Wandtemperaturen und Wandwärmeströmen ( Lebensdauer) Hierzu Einsatz von CFD! Page 3

4 ASTRIUM TP Herausforderungen Wärmeübergänge bis 100 MW/m² (und mehr) hohe Netzauflösung und qualität (y+ <1, wandnormale Zellabmessungen < 1µm, manchmal weniger) raue Wände Strömungen im Machzahlbereich von 0 bis 7 Sub-, trans-, super- und hypersonische Gebiete Extremer Temperaturbereich (kryogene Treibstoffe T = 20 K, Heißgastemperaturen T > 3200 K) Stoffdaten (Thermodynamik- und Transportgrößen) Phasenübergänge Reaktionskinetik Komplexe Geometrien Kurze Antwortzeiten Modellierungsaufwand erzielbare Genauigkeit 19/12/2006 Page 4

5 ASTRIUM TP Komponenten einer Brennkammer CFD Analysen LOx Dom Zünder H 2 Verteilungsraum Einspritzelemente Kühlkanalauslauf (Mischer, Manifold) Verbrennungszone Heißgaswand Kühlkanal Kühlkanaleinlauf (Manifold) Details: Messgeber Zusatzbauelemente. Mischer, Zuund Spülleitungen Expansionsdüse 19/12/2006 Page 5

6 Einspritzelemente A) A) Koaxialelement (Treibstoffseite) B) Gekoppelte Analyse C) Drall-Element (Wasser Flow-Check) D) Drall Element mit Gassäule B) C) D) Charakterisierung der Elemente vor Simulation der Verteilungsvolumina Page 6

7 Verteilungsanalysen Vernetzungsbeispiel (TETRA) LOx Dome und Brennstoffverteilungsvolumen Auswirkung einer Verteilerplatte auf die Strömung in einem LOx Dom typisch: 6 50 Mio Zellen Optimierung einer Verteilerplatte im Brennstoffverteilungsvolumen Verteilerplattendesign Entwicklungsstufen Massenstromverteilung am Brennkammereintritt Page 7

8 Triebwerkskomponenten Mischer am Kühlkanalauslauf (Aufhebung der thermischen Stratifizierung) Externer Mischer (Zusammenführung von Kühlmittelströmen) ohne Mischer Mischer mit Mischer Page 8

9 Brennkammersimulation 2D 3D-Verbrennungssimulation Wasserstoff Sauerstoff (Dichte Gase) Flamelet Modellierung (SubScale Kammer, 60 Segment) MMH NTO Verbrennungssimulation (flüssige Einspritzung beider Komponenten) Vergleich unterschiedlicher EK-Designs Strömungsfelder nahe an der Einspritzebene Tropfenbahnen MMH NTO Stromlinien Gasphase Temperaturverteilung in der BK (reduziertes Reaktionsschema) Stromlinien, vereinfachte Reaktionskinetik (Pre-Burner, 3D) Page 9

10 Brennkammer - Kühlkanalströmungen Brennkammerkühlkanal Gesamtansicht Detailgestaltung Kühlkanaleinlauf Strömungsumlenkung Querschnitte im Halsbereich spezielle Bauweisen gekühlter Strukturen Page 10

11 Manifolds und Düsen - Kühlkanalströmungen Kühlkanal Düsenerweiterung Manifold mit Überströmbohrungen (poröses Medium zur Simuzlation des Druckverlustes in den anschließenden Kühlkanälen) Interface: Schubkammer Düsenerweiterung Kopplung mit der Düsenströmung Page 11

12 Düsenströmungen Verschiedene Düsenkonturen Konische Kontur Strömungsablösung in Expansionsdüsen RSS FSS Abgeschnittene Ideale Kontur Schuboptimierte Kontur (Parabel) Transiente Simulation eines Anfahrvorganges Page 12

13 Vakuum Testzelle (VAC) Adpaterrohr (SSDA) Überschalldiffusor (SSD) Komponenten eines Schubkammerprüfstandes VAC vorhanden neu zu bauen SSDA vorhanden Wozu diesen Aufbau? Betrieb der Schubkammer in Vakuum-Umgebung (keine Strömungsablösiung am Schubkammeraustritt) Zündung unter Vakuumbedingungen optischer Zugang zum divergenten Teil der Schubkammer SSD Page 13

14 Vorhersage der Lasten auf die Prüfstandskomponenten Überschallströmung im Diffusor komplexe Verdichtungsstoßsysteme / Stoßrefelektion, - wechselwirkungen Thermallasten auf die Diffusorstruktur Überprüfung der Adapterkühlung Mechanische Lasten, (Druck, Schub) Sekundärströmung in der Vakuumtestzelle detaillierte Analyse /2D 3D) Definition von Gegenmaßnahmen auf Basis von CFD Simulationen Thermallasten auf dem Adapter Auslegung der Adapterkühlung Page 14

15 Druckverteilung im Diffusor (Stationäre Analyse, Nominalpunkt) Vergleich: Vorhersage - Messung Punkte stromauf (x=2.2[m] und x=3.8[m]) zeigen nahezu perfekte Übereinstimmung Punkte stromab (x=9[m] und x=10.8[m]) zeigen akzeptable Abweichungen (nach einer Vielzahl von Stoßreflektionen) für andere Fahrpunkte der Schubkammer zeigt sich ein ähnliches Bild Page 15

16 ASTRIUM TP Ausblick Künftige Aufgaben Erweiterung und Validierung von turbulenter Verbrennungssimulation für weitere Treibstoffpaarungen (CH4/LOx, MMH/NTO) Simulation von Filmkühlung (flüssig, transkritisch, gasförmig), Phasenübergang, Mischung Mehrphasenströmungen (Lagrange/Euler Euler/Euler, VoF) Weitere Intensivierung von gekoppelten Analysen (CHT) Transiente Analysen (Füllvorgänge, Zündung, Start-Up, Shut-Down) Behandlung von (sehr) großen Modellen ( 100 Mio Knoten) (theoretische) Ansätze zur Spray-Charakterisierung... virtuelle Schubkammer 19/12/2006 Page 16

17 ASTRIUM TP ANSYS-CFD (CFX) Anwender bei TP22 Mitarbeiter Katharina Quering, Wilke Zeiss, Thomas Aichner, Josef Görgen, Christoph Höglauer, Dr. Blazenko Ivancic, Dr. Roland Kaess, Dr. Björn Kniesner, (R. Behr) Doktoranden Stefan Köglmeier (TU München) Studenten (seit 2010) Diplomarbeiten / Masterarbeiten Max Haimerl, Carsten Elter, Tammo Rombach, Christian Bauer, William van Meerbeeck, Michael Neubauer, Aurelien Valtier, Hilbert von Pelt, Gudrun Heidecker Semesterarbeiten und Praktikanten Martin Seidl, Christoph Ottmann, Daniel Bock, Sven Stappert, Alexander Chemnitz 19/12/2006 Page 17