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Numerical analysis of controlled turbulent wake flows = Numerische Analyse der geregelten turbulenten Nachlaufströmung
2021
Dissertation, RWTH Aachen University, 2021
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-06-07
Einrichtungen
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
In dieser Studie wird die komplexe Heckströmung von Raumtransportern und deren Regelbarkeit mit einer zonalen RANS/LES-Methode untersucht. Aufgrund der Interaktion großskaliger kohärenter Strukturen im Nachlauf ist die Düse klassischer Raumtransporter, wie z.B. der Ariane 5, dynamischen Belastungen ausgesetzt. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, diese so genannten Buffet-Lasten durch aktive und passive Strömungsregelung zu reduzieren. Zusätzlich wird die aerodynamische Integration der Dual-Bell Düse in den Raumtransporter untersucht, um den Einfluss des neuartigen Düsenkonzepts auf die Heckströmungsdynamik zu bestimmen. Die Simulationen werden bei transsonischer Außenströmung durchgeführt, d.h. bei einer Machzahl von Ma = 0.8 und einer Reynoldszahl basierend auf dem Durchmesser der Hauptstufe von Re = 4.3 · 10^5 und Re = 6.0 · 10^5. Neben klassischer statistischer Analyse und Spektralanalyse, wie Fourier-Transformation und Zweipunkt-Korrelationsanalyse, werden Modalzerlegungsmethoden wie die spektrale und “klassische” proper orthogonal decomposition und dynamic mode decomposition verwendet. Nach einer kurzen Beschreibung der mathematischen und numerischen Methodik, d.h. der maßgeblichen Gleichungen der Fluidbewegung, der zonalen RANS/LES-Methode und der Modalzerlegungstechniken, werden die Ergebnisse der Untersuchungen zur Strömungsregelung und der Dual-Bell Düse vorgestellt. Zunächst wird die Wirkung von zwei passiven Strömungsregelungsmethoden auf den Nachlauf einer planaren Konfiguration untersucht. Durch halbkreisförmige, an der Hinterkante der Hauptstufe integrierte Ausbuchtungen werden in der abgelösten Scherschicht Längswirbel erzeugt, die die turbulente Vermischung stromab der Hauptstufe erhöhen. Dadurch wird die Wiederanlegelänge und damit der Hebelarm der dynamischen Kräfte um ca. 75% verringert. Anschließend wird eine planare und eine achsensymmetrische Konfiguration mit einer Dual-Bell Düse analysiert, um den Einfluss des Dual-Bell Düsenstrahls auf die Heckströmungsdynamik zu untersuchen. Bevor eine detaillierte Analyse an der generischen achsensymmetrischen Freiflugkonfiguration durchgeführt wird, wird die planare Konfiguration verwendet, um eine unmittelbare Validierung der zonalen RANS/LES-Ergebnisse mit entsprechenden experimentellen Messungen zu ermöglichen, welche im Rahmen des Sonderforschungsbereichs Transregio 40 durchgeführt wurden. Mittels Spektralanalyse und Modalzerlegung wird eine niederfrequente pumpende Bewegung des Rezirkulationsgebietes und eine antisymmetrische wellenförmige Bewegung der Scherschicht bei der Buffet-Frequenz nachgewiesen. Die untersuchten Dual-Bell Düsen Konfigurationen weisen eine ähnliche Strömungstopologie und -dynamik auf wie Konfigurationen mit konventioneller Düse, was darauf hindeutet, dass im vorliegenden Strömungsparameterbereich und Betriebsmodus der Einfluss der Dual-Bell Düse gering ist. Zum Schluss wird die achsensymmetrische Konfiguration mit aktiver Strömungsregelung ausgestattet und gezeigt, dass die antisymmetrische kohärente Mode durch die Strömungsregelung geschwächt wird, was zu einer Verringerung der unerwünschten dynamischen Lasten an der Düsenverkleidung führt.In this study, the intricate wake-nozzle flow interaction of space launchers and their controllability are numerically investigated using a zonal RANS/LES approach. Due to the interaction of spatio-temporal coherent structures in the wake, the nozzle structure of classical space launcher, e.g., Ariane 5, is subjected to pronounced dynamic loads. The present work aims to reduce these so-called buffet loads by means of active and passive flow control. In addition, the aerodynamic integration of the dual-bell nozzle into the launcher’s architecture is investigated to determine the influence of the novel nozzle concept on the intricate wake flow. The simulations are performed at transonic freestream condition, i.e., at a freestream Mach number of Ma = 0.8 and a freestream Reynolds number based on the launcher diameter of Re = 4.3 · 10^5 and Re = 6.0 · 10^5. Besides classical statistical analysis such as mean and root-mean-square distributions and spatio-temporal spectral analysis, i.e., Fourier transform and two-point correlation analysis, modal decomposition techniques like spectral and “classical” proper orthogonal decomposition and dynamic mode decomposition are used to analyze the flow field data. Due to the combined approach of zonal RANS/LES followed by modal decomposition, time-resolved highly-accurate flow field data are obtained which are then used to isolate spatial modes from the complex flow field to get insight into the fundamental wake flow phenomena. After a short description of the mathematical and numerical methodology, i.e., the governing equations of fluid motion, the zonal RANS/LES method, and the modal decomposition techniques, the results of the flow control and dual-bell nozzle investigations are presented. First, the effect of two passive flow control devices on the wake of a planar configuration is examined. By semi-circular lobes integrated at the base shoulder, streamwise vortices are generated in the separated shear layer increasing the turbulent mixing downstream of the base. As a result, the reattachment length and thus the lever arm of the dynamic forces are decreased by about 75%. Next, a planar and an axisymmetric space launcher with a dual-bell nozzle operating at sea-level mode are analyzed to examine the influence of the dual-bell nozzle jet on the wake flow dynamics. Before a detailed analysis is performed on the generic axisymmetric free-flight configuration, the planar space launcher configuration is used to enable a straightforward validation of the zonal RANS/LES results with corresponding experimental measurements carried out within the framework of the Collaborative Research Center Transregio 40. By spectral analysis and modal decomposition, a low-frequency pumping motion of the recirculation region and an antisymmetric flapping motion of the shear layer at the buffet frequency are detected. The investigated dual-bell nozzle configurations feature a flow topology and dynamics similar to configurations with conventional nozzles indicating that in the present flow parameter regime and operation mode the impact of the dual-bell nozzle is insignificant. Finally, the axisymmetric duel-bell nozzle configuration is equipped with active flow control devices. The findings show that the antisymmetric coherent mode is weakened by the flow control leading to a reduction of the undesired buffet loads on the nozzle fairing.
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT021015299
Interne Identnummern
RWTH-2021-07266
Datensatz-ID: 823921
Beteiligte Länder
Germany
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