Der Aufprall von Abgasen von Triebwerken ("Plume impingement") spielt eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Raumfahrzeugen aufgrund der möglichen Kontamination von missionskritischen Elementen wie Solarpanelen oder wissenschaftlichen Instrumenten. Numerische Simulationen schätzen den Wirkungsbereich eines einzelnen Triebwerks oder eines Systems von Triebwerken ab und helfen bei der Optimierung der Konfiguration des Raumfahrzeugs. Der im Folgenden vorgestellte Anwendungsfall validiert die Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) und die partikelbasierte ellipsoidal-statistischen Bhatnagar-Gross-Krook (ESBGK) Methode in PICLas mit experimentellen Messungen.
Experimentelles & numerisches Setup
Auf der linken Seite ist ein Schema des Versuchsaufbaus von Wu (2017) dargestellt. Im Bild bezeichnet h = 5 mm den Abstand zum Mittelpunkt des Düsenaustritts. Der Winkel von 20 Grad ist relativ zur Rotationsachse der Düse. Die Abmessungen der ebenen Platte sind 60x60 mm (x-y-Ebene) und das Simulationsgebiet erstreckt sich zusätzlich um 10 mm in z. In der dualen Konfiguration wurden die Düsen im Abstand von 9,6 mm mit y=0 in der Mitte angeordnet. Es wurde nur eine Hälfte des Gebietes simuliert, wobei die Symmetrie in der x-z-Ebene ausgenutzt wurde. Die Einströmbedingungen wurden am Düsenaustritt definiert.
Druck auf der Oberfläche
Für diesen Fall wurden Simulationen mit der jeweiligen Methode, DSMC und ESBGK, durchgeführt. In den folgenden qualitativen Abbildungen werden die Methoden in Bezug auf den Druck verglichen, wobei die DSMC- und ESBGK-Simulationsergebnisse in der oberen bzw. unteren Hälfte dargestellt sind. Es ist eine gute Übereinstimmung zwischen den beiden Methoden zu beobachten.
Vergleich mit experimentellen Messungen
Zur Validierung der Simulationsergebnisse werden diese mit experimentellen Messungen verglichen, die von Wu (2017) mit druckempfindlicher Farbe durchgeführt wurden. Die folgenden Abbildungen zeigen den Druck entlang der Mittelachse (y=0) und einer Achse parallel zur Mittelachse (y = 4,8 mm) der Platte für die Einzel- und Doppelkonfiguration.
Einzelnes Triebwerk
Zwei Triebwerke
Beide Simulationsmethoden zeigen eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Messungen und demonstrieren damit ihre Fähigkeiten für die prädiktive Simulation der Düseninteraktion und den Aufprall von Abgasen ("plume impingement").
Mehr Informationen zu den zugrunde liegenden Theorien und Modellierungen:
- Pfeiffer, M., Mirza, A., & Nizenkov, P. (2021). Multi-species modeling in the particle-based ellipsoidal statistical Bhatnagar–Gross–Krook method for monatomic gas species. Physics of Fluids, 33(3), 036106.
- Wu, J., Bitter, M., Cai, G. B., He, B. J., & Kaehler, C. (2017). Investigation on aerodynamic force effect of vacuum plumes using pressure-sensitive paint technique and CFD-DSMC solution. Science China Technological Sciences, 60(7), 1058–1067.
Die Arbeit wurde im Rahmen eines Programms der European Space Agency durchgeführt und von dieser finanziert. Die hierin geäußerte Meinung kann in keiner Weise als offizielle Meinung der European Space Agency angesehen werden.
