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Characterization of a hypersonic turbulent boundary layer along a sharp cone with smooth and rough walls = Charakterisierung einer turbulenten Hyperschallgrenzschicht entlang eines glatten und rauen Kegels
2025
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-07-09
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-07232
DOI: 10.57676/wraq-n452
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1017237/files/1017237.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
H2K (frei) ; boundary layer (frei) ; equivalent sand grain roughness (frei) ; hypersonic (frei) ; outer layer similarity (frei) ; roughness (frei) ; turbulence (frei) ; wind tunnel (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
In dieser Arbeit werden experimentelle Untersuchungen zu turbulenten Hyperschall-Grenzschichten entlang glatter und rauer Wände vorgestellt, die im Hyperschall-Windkanal H2K des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Köln durchgeführt wurden. Das generische Modell für die Experimente ist ein scharfer Kegel, der aus drei Segmenten mit austauschbaren Teilen besteht, um glatte und raue Oberflächen zu berücksichtigen. Ein Segment besteht aus einer technischen Rauheitstopologie mit quadratischen Elementen mit einer nominalen Wellenlänge von viermal der Höhe der Elemente. Ein weiteres Segment besteht aus einer sandkornartigen Rauheit unter Verwendung von Carborundum-Körnern. Die Grenzschicht wird mit einem Pitot-Druckrechen und Particle Image Velocimetry (PIV) untersucht. Der konvektive Wärmestrom wird über Infrarot-Thermografie und lokale Sensoren abgeleitet. Zusätzlich werden Schlierenbilder und Oberflächendruckdaten verwendet, um allgemeine Informationen über das Strömungsfeld entlang des Kegelmodells zu erhalten. Die Interpretation der experimentellen Daten wird durch analytische Korrelationen sowie numerischen Simulationen unterstützt, die mit einem Grenzschichtcode und dem Strömungslöser TAU durchgeführt wurden. Im Falle des Grenzschichtcodes wurde ein modifiziertes Rauheitsmodell verwendet, um einen Vergleich mit den Experimenten an rauen Wänden zu ermöglichen.This work presents experimental studies on hypersonic turbulent boundary layers along smooth and rough walls, performed in the Hypersonic Test Section H2K of the German Aerospace Center in Cologne. The generic model for the experiments is a sharp cone consisting of three segments with exchangeable parts to consider smooth and rough surfaces. One segment consists of a technical roughness topology with square bar elements with a nominal wavelength of four times the height of the elements. Another segment consists of sand grain type roughness utilizing Carborundum grains. The boundary layer is probed with a Pitot pressure rake and Particle Image Velocimetry (PIV). The analysis encompasses the mean and turbulent features of the velocity distribution and large-scale coherent structures of the turbulent boundary layer. Further, the convective heat flux is deduced via infrared thermography and local sensors. Additionally, Schlieren images and surface pressure data is used to gain general information about the flow field along the cone model. The interpretation of the experimental data is supported by analytical correlations and simulations conducted with a boundary layer code and computation fluid dynamics code TAU. In case of the boundary layer code, a modified roughness model was used to compare to rough wall experiments.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT031279029
Interne Identnummern
RWTH-2025-07232
Datensatz-ID: 1017237
Beteiligte Länder
Germany
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