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.

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.

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

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 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.

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.

Der Saturnmond Titan ist auf Grund seiner dichten Stickstoffatmosphäre mit Spuren von Methan von großem Interesse für die Wissenschaft. Diese Atmosphäre wird von Raumschiffen genutzt, um bei der Ankunft abzubremsen. Während eines solchen Wiedereintrittsmanövers muss die Raumkapsel extremen Bedingungen widerstehen. Numerische Simulationen vom Wiedereintritt approximieren die auf die Kapsel wirkenden Kräfte sowie die Wärmebelastung, um den Entwurf des Thermalschutzsystems zu unterstützen.

Für diese Anwendung wurde eine generische Wiedereintrittssonde mit der Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) Methode innerhalb PICLas simuliert. Die zu erwartenden Strömungsbedingungen wurden aus einer beispielhaften Wiedereintrittsbahn am Punkt des höchsten Wärmeflusses abgeleitet. Aus der Hyperschallströmung bei einer Mach-Zahl von 20 resultiert ein abgehobener Verdichtungsstoß und eine verdünnte Region im Nachlauf der Kapsel. Die Abbildung zeigt die translatorische Temperatur und die Stromlinien in der Symmetrie-Ebene.

Die Simulationen verwendeten eine komplexe Spezies- und Chemie-Modellierung bestehend aus 13 Spezies (wie Methan, Stickstoff und die entsprechenden Reaktionsprodukte) und 24 Reaktionspfaden. Der Austausch innerer Energien wurde in Form von rotatorischen, vibratorischen und elektronischen Anregungen berücksichtigt.

Beispielhafte Simulationsergebnisse vom Wiedereintritt zeigen die Zusammensetzung des Gasgemisches vor der Kapsel sowie die Wärmelast auf der Rückseite der Kapsel. Diese Informationen können beim Entwurf des Hitzeschutzschildes eingesetzt werden, um eine optimale Lösung mit Hinblick auf die Minimierung der Masse der Kapsel zu finden.