Florian Göbel


Dr.-Ing. Florian Göbel
Oberleutnant und Wissenschaftlicher Mitarbeiter

 


eMail: florian.goebel(at)unibw.de


 

Curriculum Vitae

  • 2005: Abitur in Dortmund
  • 2005-2006: Ausbildung zum Luftwaffenoffizier an der Offizierschule der Luftwaffe,

    Fürstenfeldbruck
  • 2006-2009: Studium der Luft- und Raumfahrttechnik an der Universität der Bundeswehr München (UniBwM)
  • 2010-2013: Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der UniBwM, LRT 10
  • seit 2013: BAAINBw Abteilung G
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Wissenschaftliche Arbeiten

 

Veröffentlichungen:

  • F. Göbel: Implementation of Spectral Models for Gas Radiation into the CFD Solver NSMB and Validation on the basis of the SSME Main Combustion Chamber”, Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, Hamburg, 2010.
  • F. Göbel, Ch. Mundt: "Implementation of the P1 Radiation Model in the CFD solver NSMB and Investigation of Radiative Heat Transfer in the SSME Main Combustion Chamber ", AIAA Hypersonics and Space Vehicle Conference, San Francisco, 2011.
  • F. Göbel, Ch. Mundt: "CFD Analysis of Radiative Heat Transfer in the SSME Main Combustion Chamber using Advanced Spectral Models", 7th Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles, Brügge, 2011.
  • F. Göbel, Ch. Mundt: "CFD Simulation of the FIREII Flight Experiment", 42nd AIAA Fluid Dynamics Conference, New Orleans, 2012.
  • F. Göbel, B. Kniesner, M. Frey, O. Knab, Ch. Mundt: "Radiative Heat Transfer Analysis in Modern Rocket Combustion Chambers", 5th Eucass - European Conference for Aerospace Sciences, Munich, 2013.
  • F. Göbel, B. Kniesner, M. Frey, O. Knab, Ch. Mundt: "Radiative Heat Transfer Analysis in Modern Rocket Combustion Chambers", accepted for CEAS Space Journal, 2014.

 

Auszeichnungen:

  • Gewinner der goldenen Pierre-Contensou-Medaille beim Studentenwettbewerbes der Internationalen Astronautischen Föderation (IAF) im Rahmen des 60. IAC in Daejeon, Korea, 2009
  • IABG-Award für die zweite Studienarbeit, 2009
  • Bestpreis des Studentenbereiches der UniBwM für den Jahrgangsbesten LRT, 2009
  • ZARM-Preis für die Diplomarbeit zum Thema Implementation of Spectral Models for Gas Radiation into the CFD Solver NSMB and Validation on the basis of the SSME Main Combustion Chamber”, 2010
  • Bestpreis des Amtschefs des Luftwaffenamtes, 2011.

 

Forschungsgebiet:

a)Modellierung von Gasstrahlung bei hypersonischen Wiedereintrittskörpern

 

Für die Auslegung der Hitzeschilde von Wiedereintrittskörpern (Thermal Protection System: TPS) ist eine genaue Analyse des Wärmestromes unablässig im Hinblick auf die Überlebensfähigkeit während des Wiedereintritts. Bei sogenannten hyperbolischen Geschwindigkeiten von ca. 11 km/s während des Wiedereintritts formt sich ein abgesetzter Verdichtungsstoß vor der Körperoberfläche.

 

Dieser Verdichtungsstoß wird u.a. durch ein thermisches und chemisches Nichtgleichgewicht charakterisiert. Hinter dem Stoß können Temperaturen von bis zu 20000 K auftreten, weshalb das den Körper umgebende Medium Eigenschaften eines Plasma aufweist.

 

 Temperature

Abbildung 1: Temperaturkonturen beim Wiedereintritt eines hyperbolischen Körpers

 

Aufgrund der extrem hohen Temperaturen unmittelbar hinter dem Stoß und im nachfolgenden Strömungsfeld bekommt der Wärmeübergang durch Strahlung eine besondere Bedeutung. Der Strahlungswärmestrom ist proportional zur vierten Potenz der Temperatur und gewinnt deshalb bei den Wiederintritts-Szenarien an Bedeutung gegenüber anderen Wärmeübergangsformen, wie etwa der Konvektion und der Wärmeleitung.

 

Die Schwierigkeiten der Modellierung des Strahlungswärmeübergangs bei Wiedereintrittskörpern liegen in der Modellierung der Transportphänomene einerseits und in der spektralen Modellierung der Strahlungsgrößen andererseits. Bei einem Plasma von 20000 K herrscht ein sogenanntes Strahlungs-Nichtgleichgewicht, das sich sowohl auf die Lösung des Strahlungstransports als auch auf die spektrale Modellierung auswirkt.

 

 

TWHF

Abbildung 2: Total Wall Heat Flux unter Berücksichtigung von Strahlung beim Wiedereintritt

 

Bisherige Transportmodelle greifen bei Wiedereintrittssimulationen oft auf eine Vereinfachung hinsichtlich des Transports von Strahlung zurück, indem z.B. eine 1-D-Ausbreitung der Strahlung (sog. „Tangent Slab“) angenommen wird. Diese Annahme versagt allerdings, wenn nicht gerade der Staupunkt des Eintrittskörpers betrachtet wird.

 

Hinsichtlich der spektralen Modellierung der Transportgrößen wird oftmals ein graues Gas angenommen (keine Variation der Transportgrößen über der Wellenlänge), was die realen Tatsachen beim Wiedereintritt, wo alle Größen starken Schwankungen über der Wellenlänge ausgesetzt sind, nicht korrekt wiedergibt.

 

Ziel der Forschung ist es, zunächst ein Strahlungstransportmodell in den CFD Code NSMB einzubauen, das für dreidimensionale Geometrien geeignet ist. Dieses Modell ist das sogenannte P1-Modell. Dieses Modell wird zunächst für den Strahlungs-Gleichgewichtsfall implementiert, wobei die spektrale Modellierung mit Hilfe des Weighted Sum of Gray Gases Model (WSGGM) realisiert wird.

In einem zweiten Schritt wird das P1-Modell für Strahlungs-Nichtgleichgewicht erweitert, wobei eine spektrale Modellierung mittels WSGGM nicht mehr möglich ist. Für diesen Fall werden die spektralen Größen mittels eines von der ESA entwickelten Codes namens PARADE berechnet und mit dem Transportmodell gekoppelt.

b) Modellierung der Gasstrahlung in Raketenbrennkammern
 
Beim Verbrennungsvorgang in Raketentriebwerken treten lokal Temperaturen in der Größenordnung bis zu 4000 K auf. In diesem Umfeld bekommt der Strahlungswärmeübergang eine besondere Bedeutung, insbesondere in modernen Raketenbrennkammern, die durch den Einsatz von Filmkühlung den konvektiven Wärmeübergang in Wandnähe drastisch reduzieren.
 
Bei der Auslegung von Raketenbrennkammern wird Strahlung in vielen Fällen gänzlich vernachlässigt oder durch Näherungen beschrieben. Während die erste Variante zu einem strukturellen Versagen führen kann, da der totale Wandwärmestrom unterschätzt wird, verringert die zweite Methode die Effizienz des Triebwerks, da die Brennkammerwände und deren Kühlung in der Regel überdimensioniert werden.
 
Für die Untersuchung des Strahlungswärmestromes in Raketenbrennkammern wird ebenfalls das P1-Modell in den CFD Code NSMB eingebaut und unter Zuhilfenahme geeigneter Modelle für die übrigen Strömungsphänomene (Turbulenz etc.) mit den hydrodynamischen Gleichungen gekoppelt, sodass eine zuverlässige Vorhersage des Strahlungswärmestromes möglich ist.
 
Figure 35 Modeling Stage 3 P1 Incident Radiation CFX.jpg
Abbildung 3: Einfallende Strahlung (Incident Radiation "G") im SSME MCC unter Verwendung des P1-Modells im CFD-Solver CFX
 
Eine besondere Bedeutung kommt der spektralen Modellierung des Strahlungstransports zu. Während in traditionellen kryogenen Triebwerken (Wasserstoff/Sauerstoff-Verbrennung) Wasserdampf als einzige Spezies zum Strahlungstransport beiträgt, kommt bei Kohlenwasserstoff-Antrieben (Methan) CO2. In vielen Fällen wird die spektrale Variation der Strahlung als konstant angenommen (graues Gas), was jedoch in einer Unterschätzung des Wärmeübergangs durch Strahlung resultiert. Andererseits erfordert eine Berechnung mit Hilfe so genannter „Line by Line“ Daten einen hohen Rechenaufwand, da hierbei mehr als eine Million spektrale Linien einzeln betrachtet werden müssen. Eine detaillierte spektrale Beschreibung bei geringem Rechenaufwand ist mit Hilfe geeigneter Modelle (WSGGM, FSK, SLW) möglich und wird am Institut vorangetrieben. Dabei sind verschiedene Probleme zu überwinden, wie etwa eine extrem hohe Temperatur (4000 K) und ein sehr hoher Druck (200 bar), die dazu führen, dass herkömmliche spektrale Modellierungen versagen.
 Figure 15 - RWHF calculated by different WSGGM approaches in comparison to benchmarks.jpg
Abbildung 4: Strahlungswandwärmestrom an der Brennkammerwand in Abhängigkeit vom verwendeten Spektralmodell (WSGG-Modell)