Genaue Vorhersagen der turbulenten Verbrennung in Raketenbrennkammern
Autor: Prof. Dr. rer. nat. Michael Pfitzner
Einer der intensiv am Lehrstuhl für Thermodynamik und Wärme-/Stofftransport LRT-10 bearbeiteten Forschungsschwerpunkte betrifft die Modellierung der turbulenten Hochdruck-Verbrennung in technischen Systemen. Typische Anwendungen sind Automotoren, (Flug-) Gasturbinen und Raketenantriebe.
Antriebe von großen Weltraumraketen verwenden Wasserstoff oder Methan als Brennstoffe und tiefkalten Sauerstoff als Oxidator. Aufgrund der tiefen Temperaturen und der hohen Drücke in der Brennkammer müssen die Fachgebiete der Thermodynamik und der Aerodynamik eng gekoppelt werden. Insbesondere die numerische Berechnung der turbulenten Hochdruckströmung und -verbrennung war am Ende des 20. Jahrhunderts noch wenig erforscht.
Aufgrund unserer Vorarbeiten waren wir ab 2003 in die Planung des Sonderforschungsbereichs Transregio TR40 der Deutschen Forschungsgemeinschaft eingebunden. Der SFB-TR40 startete im Jahr 2007, er ist einer der größten SFB‘s, der je von der DFG gefördert wurde. Im SFB-TR40 wurden 27 Projekte an vier universitären Standorten (München, Stuttgart, Aachen, Braunschweig) und mit zwei DLR-Instituten (Lampoldshausen, Köln) bearbeitet. Die Firma ASTRIUM (jetzt ARIANE Group) trug selbst finanzierte Doktorandenprojekte bei und beriet in Fragen der Raketenbrennkammertechnologie.
Ziele waren die Erforschung der Verbrennung in Raketenbrennkammern für große Weltraumraketen wie die ARIANE 5 und der Heck-Umströmung an Raketen, welche mit der Struktur der Antriebsdüse wechselwirkt. Diese wurden an 4 universitären Standorten bearbeitet:
- Modellierung der Verbrennungsvorgänge in der Raketenbrennkammern (Standort München, TUM / UniBwM)
- Brennkammerkühlung (Standort Stuttgart)
- Heckumströmung der Rakete und Strömungs-Strukturwechselwirkung mit der Schubdüse (RWTH Aachen, TU Braunschweig, DLR Köln)
Zwei gemeinsame SFB-TR40-Projekte mit insgesamt 3 Doktorandenstellen wurden von LRT-10 zusammen mit dem Lehrstuhl für Aerodynamik und Strömungsmechanik der TUM durchgeführt. Schwerpunkt der Arbeiten war die Entwicklung einer Methodik zur Simulation von Realgas-Hochdruckströmungen, die Weiterentwicklung der Modellierung turbulenter Verbrennung und die Vorhersage der für die Auslegung von Raketenbrennkammern sehr wichtigen Wandwärmeströme. In allen drei Bereichen konnten wir den Stand der Forschung bedeutend vorantreiben.
Enge Kooperationen gab es mit der Gruppe von Prof. Haidn (TUM), wo Experimente in kleinen Prinzipbrennkammern durchgeführt wurden, mit dem DLR Lampoldshausen, welches Messdaten von größeren Brennkammerversuchen bereitstellte und mit der Uni Stuttgart, wo wir gemeinsam Mehrkomponenten-Hochdruckströmungen untersuchten (Experiment: Stuttgart, Berechnung: UniBwM).
Entscheidende Fortschritte haben wir bei der Berechnung von Realgas-Hochdruckströmungen erzielt, wo wir zeigen konnten, dass nur eine enge und konsistente Kopplung der Thermodynamik und der numerischen Strömungsmechanik genügend genaue Ergebnisse liefern kann. Nach Kopplung mit der Verbrennungsmodellierung gelang es uns, Hochdruck-Verbrennungsexperimente der ONERA, des DLR Lampoldshausen und der TUM (Prof. Haidn) mit hoher Genauigkeit zu reproduzieren.
Links: Numerische Simulation einer LOx-Methan-Flamme (Nachrechnung ONERA-Experiment) | Rechts: Simulation der turbulenten Verbrennung in Prinzip-Brennkammer (LOx-Methan-Flamme)
Unsere Projekte im SFB-TR40 wurden mehrfach von DFG-Gutachtern als zentral für den gesamten SFB charakterisiert. Die bei LRT-10 entwickelten Modelle zur Beschreibung der Thermodynamik, der Strömung und der Verbrennung in den Raketenbrennkammern wurden von mehreren anderen Forschungsgruppen des SFB-TR40 übernommen. Zudem haben wir mit den entwickelten Methoden die Verbrennung und die Wandwärmeströme in von ASTRIUM entwickelten Brennkammerkonfigurationen erfolgreich vorhergesagt. Dies demonstrierte zum einen die Anwendbarkeit der Berechnungsmethoden, zum anderen erhielt ASTRIUM / ARIANE Space wertvolle Einsichten für die Entwicklung zukünftiger Brennkammern.
Der SFB-TR40 wurde in den maximal möglichen 3 Perioden á 4 Jahren gefördert und lief zum 30.6.2020 aus (plus 3 Monate CoVID-19-Verlängerung). Bei LRT-10 sind bisher im Umfeld der SFB-TR40-Projekte 6 Promotionen entstanden, von denen 3 mit Auszeichnung bewertet wurden. Drei weitere Promotionsvorhaben stehen kurz vor dem Abschluss.
Unsere Forschungsergebnisse wurden in 24 peer-referierten Journal-Artikeln und über 30 Konferenzbeiträgen international publiziert. Einige der Publikationen (insbesondere zur numerischen Simulation von Hochdruckströmungen und zur Simulation der Prinzipbrennkammern) werden vielfach zitiert, wir haben uns hier für die UniBwM einen hervorragenden Platz in der wissenschaftlichen Forschungsgemeinde erarbeitet.