Luft- und Raumfahrt und Verteidigungsforschung

Abstrakt

Es wurde eine experimentelle Studie über die Leistung von synchronisierten Sweeping Jets (SJ) für Filmkühlungsanwendungen durchgeführt. Es wurden verschiedene SJ-Designs untersucht, jeweils mit einem Düsenabstand zwischen 8,5 und 6,0 Dh und einem Seitenverhältnis von eins. Das synchronisierte SJ-Design wurde mit einem einzelnen SJ sowie mit einem Paar unsynchronisierter SJ mit gleichem Abstand verglichen. Der Frequenzgang, das Druckverhältnis, der Spreizungswinkel und das durchschnittliche Geschwindigkeitskennfeld wurden bestimmt, um jedes der Designs zu charakterisieren. Die Kühlleistung jeder Konfiguration wurde in einem Windkanal bei verschiedenen Turbulenzstufen (Tu = 0,5% und 11,0%) und Anblasverhältnissen (M = 1,0, 2,0, 3,0, 4,0) untersucht. Die Kühlungseffektivität jedes Designs wurde anhand von Wandtemperaturmessungen berechnet. Obwohl das synchronisierte SJ-Design ähnliche Eigenschaften wie das individuelle und das unsynchronisierte SJ-Paar aufwies, wurde eine geringere Kühlleistung bei höheren Gebläseverhältnissen festgestellt. Die Ursache für die geringere Kühleffektivität der synchronisierten SJs wurde auf die inneren abwechselnden Wirbel in Strömungsrichtung zurückgeführt, die als Abhebewirbel für die Kühlströmung wirken.

Referenz

Spens, A., & Bons, J. P. (2021). Experimentelle Untersuchung von synchronisierten Sweeping Jets für die Anwendung von Filmkühlung. AIAA Scitech 2021 Forum. https://doi.org/10.2514/6.2021-2003

Abstrakt

Die additive Fertigung (AM) von Wärmetauschern aus Metall ermöglicht individuelle und konforme Designs für eine Vielzahl von Anwendungen. Eine Herausforderung bei der Metall-AM ist jedoch die bei diesem Verfahren entstehende Oberflächenrauhigkeit, die bei herkömmlichen Herstellungsverfahren nicht vorhanden ist. In dieser Studie soll untersucht werden, wie sich diese Rauheit auf den Druckabfall und das Strömungsfeld einer häufig verwendeten Wärmetauscheroberfläche, der sogenannten Offset Strip Fin (OSF), auswirkt. Es werden zwei OSF mit der gleichen Geometrie getestet: eine mit einer durchschnittlichen Rippenrauheit von 34 μm aus Metall-AM und die andere mit einer durchschnittlichen Rippenrauheit von 2,5 μm, die als Basiswert dient. Die Rauheit aus dem Metall-AM-Prozess erhöhte die Druckverluste und ließ die Strömung bei niedrigeren Reynoldszahlen im Vergleich zur glatten Rippe zu einem turbulenzähnlichen Verhalten übergehen.

Mit Laser-Doppler-Velocimetrie-Messungen (LDV) wurde die Reihennummer in der Lamellenanordnung erfasst, bei der der Übergang von einer laminaren zu einer turbulenzähnlichen Strömung erfolgte. Der Übergang von niedrigen zu hohen Turbulenzniveaus erfolgte bei glatten und rauen Rippen früher im Rippenfeld, wenn die Reynoldszahl erhöht wurde. Die Wirbelprofile der zeitlich gemittelten Axialgeschwindigkeit waren bei den rauen und den glatten Rippen ähnlich, wobei die rauen Rippen höhere Turbulenzintensitäten (TI) und weniger symmetrische Wirbelprofile aufwiesen. Insgesamt deutet diese Studie darauf hin, dass die Verwendung von Metall-AM-OSF aufgrund der daraus resultierenden Oberflächenrauheit und eines früheren Übergangs zu einer turbulenzähnlichen Strömung mit einem Druckverlust verbunden ist.

Referenz

Saltzman, D., & Lynch, S. (2021). Strömungsfeldmessungen in einer additiv gefertigten Metallstreifenflosse mit Laser-Doppler-Velocimetrie. Journal of Fluids Engineering. https://doi.org/10.1115/1.4049245

Abstrakt

In diesem Beitrag werden die experimentellen Ergebnisse hinsichtlich der Dynamik der Detonationswellen, der Energieerzeugung und der Verbrennungsinstabilitäten einer scheibenförmigen Druckverstärkungsbrennkammer (DPGC) vorgestellt. Für die DPGC-Experimente wurde ein Ethylen-Luft-Gemisch verwendet, und die Experimente lassen sich in zwei Stufen einteilen. In der ersten Phase der Versuche wurde der DPGC unter atmosphärischen Bedingungen mit einer Versuchsdauer von zwei Sekunden getestet. Die kontinuierliche Detonation wurde anhand der dynamischen Wanddruckmessungen erfolgreich nachgewiesen. Die Detonationswellendynamik wurde unter verschiedenen Testbedingungen bei einem Luftmassenstrom von ~0,15 kg/s von kraftstoffarmen bis fetten Bedingungen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die charakteristischen Wellenfrequenzen während der Tests kontinuierlich ändern, was mit den Veränderungen der thermischen Umgebung der Brennkammer bei der Entstehung der Detonationswellen zusammenhängen könnte. Es wurde festgestellt, dass auch die Einspritzdrücke der Reaktanden beeinflusst werden, wobei sich die Luft- und Kraftstoffdrücke im Plenum mit ähnlichen Tendenzen wie die Wellenfrequenzverschiebungen ändern. Die Frequenzen des Detonationswellenbeginns werden aus den Druckspektrogrammen 0,1 s nach der Zündung für die weitere Diskussion herausgesucht. Das Ergebnis zeigt, dass die in dieser Brennkammer erzeugten Detonationswellengeschwindigkeiten zwischen den klassischen CJ-Detonationswellengeschwindigkeiten und den Schallgeschwindigkeiten im verbrannten Gas liegen.

In der zweiten Phase der Versuche wurde der DPGC mit einem Turbolader gekoppelt, um die von der Turbine des Turboladers entnommene Wellenleistung zur Bewertung der DPGC-Leistungserzeugung zu nutzen. In diesem Beitrag wird ein Demonstrationsfall vorgestellt, der zeigt, dass die Turbine eine Leistung von 21,71 kW aus dem DPGC-Abgas extrahiert, wenn der Verbrennungsluftdurchsatz ~0,19 kg/s und das Äquivalenzverhältnis ~0,83 beträgt. Neben den charakteristischen Frequenzen der Detonationswellen wurden in der Brennkammer und den Einspritzkammern nieder- und mittelfrequente Verbrennungsinstabilitäten mit sinusförmigen Druckschwankungen festgestellt, nachdem der DPGC mit dem Turbolader gekoppelt worden war. Die Ursachen für diese Verbrennungsinstabilitäten wurden im Zusammenhang mit der instationären Wellenausbreitung und der Helmholtz-Resonanz diskutiert. Die experimentellen Ergebnisse deuten darauf hin, dass der DPGC hinsichtlich seiner Kompaktheit überlegen ist.

Referenz

Huang, X., Chang, P.-H., Li, J.-M., Teo, C. J., & Khoo, B. C. (2021). Wellendynamik, Energieerzeugung und Verbrennungsinstabilitäten einer scheibenförmigen Druckverstärkungsbrennkammer. AIAA-Antriebs- und Energieforum 2021. https://doi.org/10.2514/6.2021-3664