Untersuchungen zur Instabilität hypersonischer Grenzschichten unter Berücksichtigung von Hochtemperatureffekten

Die vorliegende Arbeit fasst die Arbeiten an hypersonischen Stromungen entlang von ebenen Konfigurationen mit und ohne Hindernissen und Rampen zusammen. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf der Modellierung der chemischen Dissoziationsvorgange in heisen hypersonischen Stromungen, wie sie unter Wiedereintrittsbedingungen auftreten. Dabei konnen die chemischen Reaktionen, die auch Rekombinationsreaktionen beinhalten, im Gleichgewicht (also unendlich schnell) oder im Nichtgleichgewicht (Zeitskala der chemischen Reaktionen im Bereich der Fluid-Zeitskala) vorliegen. Ebenfalls berechnet werden kann thermisches Nichtgleichgewicht, bei dem der Freiheitsgrad der molekularen Vibration ebenfalls einer eigenen Zeitskala folgt, und nicht sofort im Gleichgewicht mit den chemischen Reaktionen vor sich geht. Ein hochgenaues numerisches Verfahren zur Berechnung der laminar-turbulenten Transition fur kompressible Stromungen unter idealen Gas Bedingungen mit Hilfe der Direkten Numerischen Simulation wurde auf die chemischen und thermischen Effekte von Hochtemperaturstromungen erweitert. Dabei fand auch Berucksichtigung, dass sich die Stoffeigenschaften (Viskositat und Warmeleitfahigkeit) in Abhangigkeit von Temperatur und chemischer Zusammensetzung andern. Die Diffusion der unterschiedlichen chemischen Spezies wurde ebenfalls modelliert. Das Verfahren wurde gegen die Ergebnisse der Linearen Stabilitatstheorie validiert. In einer ersten Anwendung wird die Simulation einer Abloseblase an einer Rampe bei Ma=5 unter idealen Gas Bedingungen vorgestellt. Dabei wird mit einem Experiment verglichen, welches ausreichend niedrige Temperaturen aufwies, um diese Annahme zu rechtfertigen. Bei Untersuchungen zur Storungsausbreitung an der ebenen Platte wurde durch Ausblasen und Absaugen an der Wand zweidimensionale (2. Mode) und dreidimensionale (3. Mode) Storungen eingebracht, deren lineare Ausbreitung unter verschiedenen chemischen Zustanden fur eine Stromung bei Ma=20, wie sie in einem Wiedereintrittsszenario aus der nahen Erdumlaufbahn typisch fur eine transitionelle Gesamtumstromung eines schlanken Wiedereintrittskorpers sind, untersucht wurde. Bei der aerothermodynamischen Betrachtung von Wiedereintrittskorpern stellt die Gute der Oberflache eine Einflussgrose dar, die in einer weiteren Studie betrachtet wurde. Dabei wurde die Moglichkeit von Hindernissen auf glatten Oberflachen in Betracht gezogen, die eine generische Reprasentation von herausstehendem Dammmaterial zwischen Hitzeschutzelementen darstellen sollte. Angelehnt daran wurde ein Freiflug-Experiment (HyBoLT) eigens dafur konzipiert, bei dem zwei quaderformige Elemente auf die instrumentierte Oberflache aufgebracht wurden. Ziel der Freiflug-Mission war es, den Einfluss des Hindernisses in der Grosenordnung der Grenzschichtdicke auf den Warmeubergang und den Stromungszustand im Nachlauf des Hindernisses zu erfassen. Nach dem Scheitern der Mission wurde die Direkte Numerische Simulation unter Berucksichtigung von chemischem (Nicht-)Gleichgewicht fortgefuhrt. In mehreren Schritten wurden aufbauend auf den veroffentlichten, geplanten Flugzustanden die Stromungsverhaltnisse um den Keil an der Raketenspitze untersucht.