Hyperschallströmungen

Transkript

1 Hyperschallströmungen Vorlesung 1 Dr. Christian Stemmer Lehrstuhl für Aerodynamik Technische Universität München stemmer@aer.mw.tum.de

2 Vorlesung Freitags 13:00-14:30 Raum 1639 Web: Lehre Hyperschallströmungen Skript Neuigkeiten Gliederung der Vorlesung Vorlesungsfolien als PDF nach der Vorlesung keine Übungen Möglichkeit einer mündlichen Prüfung als Ergänzungsfach Vorlesung Hyperschallströmungen 2/16

3 Literatur zur Vorlesung S. Chapman & T.G. Cowling Mathematical theory of non uniform gases. Cambridge University Press, Cambridge G.N. Patterson, Molecular flow of gases. Wiley, New York M.N. Kogan, Rarefied gas dynamics. Plenum, New York C. Cercignani, Mathematical methods in kinetic theory. Plenum, New York V.P. Shidlovskiy, Introduction to the dynamics of rarefied gases. American Elsevier Publishing, New York H. Grad, Principles of the kinetic theory of gases, in: Handbuch der Physik, Bd. 12, Berlin L. Waldmann, Transporterscheinungen in Gasen von mittlerem Druck, in: Handbuch der Physik, Bd. 12, Berlin W.G. Vincenti & Ch.H. Kruger, Introduction to physical gas dynamics. Wiley, New York J.J. Smolderen, The evolution of the equations of gas flow at low density, in: Progress in Aeronautical Sciences, Vol. 6, New York A. Frohn, Einführung in die Kinetische Gastheorie. AULA-Verlag Wiesbaden, 2. Aufl J.D. Anderson, Hypersonic and high temperature gas dynamics. McGraw-Hill, 1989, reprint AIAA publishing, Reston, VA., Vorlesung Hyperschallströmungen 3/16

4 Hypersonische Strömungen am Beispiel von Windkanalmodellen Vorlesung Hyperschallströmungen 4/16

5 Eintritt in die Marsatmosphäre Beim Eintritt in die Planetenathmosphäre ist die unterschiedliche Zusammensetzung der entsprechenden Gase zu berücksichtigen (Mars: 95% CO 2 ) ESA > Designanforderungen: Messgeräte dürfen nicht zu heiß werden. Flugbahn muß eingehalten werden (Geometrie?) Vorlesung Hyperschallströmungen 5/16

6 Eintritt in die Erdatmosphäre (Beispiel Apollo) Auffang der Wärmelast durch abbrennbare Materialien (Ablation) oder Design der Form so, daß die speziell entwickelten Materialien für die Dauer der Belastung die Wärme aufnehmen können ohne zerstört zu werden. Vorlesung Hyperschallströmungen 6/16

7 Space Shuttle (wird bis 2010/12 außer Betrieb gehen) Space Shuttle während des Wiedereintritts: NASA artworks NASA AMES Division IN Temperaturen erreichen T>2000 K für ca. 90 sec. ungenaue Voraussagen können katastrophale Folgen haben Vorlesung Hyperschallströmungen 7/16

8 Forschungsvehikel Expert der ESA Forschungskapsel der ESA u.a. zur Validierung und Untersuchung der Strömungszustände während des Wiedereintritts RANS Rechnung für stationäre Umström ung Vorlesung Hyperschallströmungen 8/16

9 NASA X43 Hyper-X Testprogramm Vorlesung Hyperschallströmungen 9/16

10 Flight Map: Wärmeübergang hält zu lange an Temperaturen werden zu hoch Vorlesung Hyperschallströmungen 10/16

11 Schichtung der Erdatmosphäre Die Temperatur verläuft nicht monoton in der Atmosphäre Die Dichte/der Druck nehmen monoton ab Für hohe Machzahlen sind i.a. die Stoffwerte abhängig von den Atmosphärenbedingungen ν= ν(t,p,ρ) c p,c v,κ,λ Vorlesung Hyperschallströmungen 11/16

12 Einführung Mit welcher Motivation werden Hyperschallströmungen in der Praxis untersucht: Notwendigkeit, die aerodynamischen Eigenschaften und den Wärmeübergang so genau wie möglich vorherzusagen für den (Wieder-)Eintritt in die Atmosphäre aller Arten von Weltraumfahrzeugen (Stichwort Hitzeschild) Die Hitzeschilder der ersten Weltraummissionen der NASA waren mit einem Sicherheitsfaktor von 3 beaufschlagt zu schwer und zu wenig Nutzlast Eine Hitzeschutzkachel der Space Shuttles in der Größe eines Koffers wiegt 1.5 Pfund (70er Jahre Technologie) Vorlesung Hyperschallströmungen 12/16

13 Hochgeschwindigkeitsgrenzschichten β arctan(1/ma) chem. reac. effects shock Ma>>1 b.l. δ/x Ma 2 / Re x M=8 Hypersonic Boundary Layer Facility, Princeton Effekte in der Grenzschicht bei hohen Machzahlen: die Grenzschicht dickt auf und kann in die Nähe der immer flacher werdenden Stöße kommen Vorlesung Hyperschallströmungen 13/16

14 Nichtgleichgewicht Nichtgleichgewichtseffekte: Stöße sind nicht mehr gerade die chemischen Reaktionen laufen nicht sofort ab, sondern hinken der Gleichgewichtsverteilung zeitlich hinterher Die thermischen Freiheitsgrade können ebenfalls aus dem Gleichgewicht geraten: e tr =3/2 kt Translationsenergie e vib Vibrationsenergie Vorlesung Hyperschallströmungen 14/16

15 Einleitung Definitionen Knudsenzahl: Verhältnis von mittlerer freier Weglänge zu einer charakteristischen Länge (Rohrdurchmesser, Flügeltiefe, Grenzschichtdicke, Kn = L λ λ Kontinuum Gleitströmung Übergangsgebiet Freie Molekülströmung Kn < 0,01 0,01 < Kn < 0,1 0,1 < Kn < < Kn Vorlesung Hyperschallströmungen 15/16

16 Einleitung Definitionen Knudsenzahl: Verhältnis von mittlerer freier Weglänge zu einer charakteristischen Länge (Rohrdurchmesser, Flügeltiefe, Grenzschichtdicke λ λ Kontinuum: Navier-Stokes Gleichungen für den reibungsbehafteten Fall > Kontinuitätsgleichung + Impulsgleichungen Zähigkeit ν ist ein Maß für die Fähigkeit des Fluids Impuls auszutauschen Mit zunehmender Knudsenzahl nimmt die Anzahl der Stöße ab und es kann nur noch bedingt in kontinuierlichem Maße der Impuls ausgetauscht werden > Zusammenbruch der Kontinuumsannahme Vorlesung Hyperschallströmungen 16/16