Kaltgastriebwerke werden auf Grund ihrer geringeren Komplexität, Zuverlässigkeit und niedrigen Kosten typischerweise in Satelliten eingesetzt. Der Auslass des Triebwerks kann ein Kontaminationsrisiko für wichtige Komponenten darstellen oder sogar zu einer verringerten Leistung des Triebwerks selbst führen. Wenn eine Anordnung von Triebwerken verwendet wird, ist außerdem die Wechselwirkung zwischen den Abgasstrahlen für die Leistungscharakterisierung von Interesse. Daher werden numerische Simulationen verwendet, um die Wirkung der Düsenexpansion auf ihre Umgebung vorherzusagen.

Große Dichtegradienten

Große Dichtegradienten innerhalb des Kaltgastriebwerks, die von einer kontinuierlichen Strömung in der Druckkammer bis hin zur freien molekularen Strömung im Nachlauf der Düse reichen, stellen eine große Herausforderung für eine einzelne numerische Methode dar. Dafür wurden das Direct Simulation Monte Carlo (DSMC)-Modul und die partikelbasierte ellipsoidal statistical Bhatnagar-Gross-Krook (ESBGK)-Methode von PICLas gekoppelt, um die Vorteile beider Ansätze zu nutzen. Während die DSMC-Methode genaue Ergebnisse bei verdünnten Strömungen liefert, ermöglicht die BGK-Methode eine erhebliche Reduktion der Rechenkosten in Regionen mit hoher Dichte wie der Druckkammer.

Gekoppelte ESBGK-DSMC Simulation

Die Geometrie des Triebwerks (mit einer Länge von ca. 60 Millimetern und einem Radius von 2,5 Millimetern im engsten Querschnitt) basiert auf einem in der Literatur verfügbaren Versuchsaufbau. Diese Messungen wurden auch zur Validierung des numerischen Ansatzes herangezogen. Das Triebwerk verwendet Stickstoff als Treibstoff, das mit einem Druck von 474 Pascal und einer Temperatur von 300° Kelvin in die Druckkammer eingespeist wird. Beispielhafte Ergebnisse sind in Bezug auf die normalisierte Teilchendichte entlang der Symmetrieachse der Düse und die normalisierte Rotationstemperatur in der Austrittsebene in den Figuren gezeigt. Die hervorragende Übereinstimmung zwischen den experimentellen Messungen und der numerischen Simulation ermöglicht die Verwendung von PICLas als Werkzeug für die zukünftige Entwicklung von Triebwerken.

Durch die Verwendung des gekoppelten ESBGK-DSMC-Ansatzes, bei dem die ESBGK-Methode nur in der Druckkammer sowie im konvergenten Teil der Düse verwendet wurde, konnte die Simulationszeit im Vergleich zu einer herkömmlichen DSMC-Simulation um den Faktor 20.000 reduziert werden. Dies ermöglicht die Simulation des kompletten Kaltgastriebwerks oder die Anordnung von mehreren Triebwerken in einer einzigen Simulation.


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