Heterogene Gas-Wand-Interaktionen bei hochenthalpen Nichtgleichgewichtsströmungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Georg Herdrich
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 432978288

Im Rahmen des Vorhabens ist die Einstellung komplexer katalytischer Modelle für Hochtemperaturmaterialien, welche relevant für den atmosphärischen Eintritt sind, ausgesetzt werden. Dies dient insbesondere der Erarbeitung eines besseren Verständnisses der gasspezifischen katalytischen Einzelmechanismen und der Ermittlung von deren Dominanz in einem weiten Temperatur- und Druckbereich. Hierfür ist die Implementierung einer fortschrittlichen Methode zur experimentellen Bestimmung von Plasma-Wand-Wechselwirkungen in hochenthalpen Nichtgleichgewichtsströmungen vorgesehen, welche mittels Plasmawindkanälen generiert werden. Dabei sind experimentelle Verifikationen für die numerisch zu erstellenden Gasparameter sowie auch eine Validierung des Verfahrens vorgesehen. Induktiv beheizte Plasmageneratoren (IPG3-5) betreiben den IRS Plasmawindkanal PWK3, welcher in Verbindung mit geeigneten plasmadiagnostischen Verfahren für die experimentellen Untersuchungen eingesetzt wird. Dabei ist insbesondere eine Grenzschichtcharakterisierung sowohl zur Erhöhung des Vertrauensbereiches als auch zur erweiterten Erschließung der Plasma-Wand-Wechselwirkungen zusammen mit den relevanten Parametern bedeutsam. Eine Emissionsgrad-unabhängige Methode zur Bestimmung der radiativen Wärmestromdichte und der Wandtemperatur wird vorgeschlagen, um experimentelle Unsicherheiten zun reduzieren.Für die numerische Rekonstruktion der Grenzschicht, aber auch zur Unterstützung der experimentellen Untersuchungen etwa in Bezug auf die zu erbringenden Transportgrößen und Gasparameter, ist das IRS Programmsystem Upwind Relaxation Algorithm for Non-equilibrium Flows of the University of Stuttgart (URANUS) vorgesehen. Die besondere Konstellation ist darin zu sehen, dass sowohl die experimentelle als auch die numerische Simulation komplexer Strömungen an derselben Institution möglich sind. Darüber hinaus ist die Verifikation und auch die Validierung von URANUS in ausreichendem Maße erfolgt, wie erfolgreiche Vergleiche mit experimentellen Daten und Flugversuchsdaten zeigen.Im Rahmen des Vorhabens sollen Proben aus SiC und Grade 5 Titan Ti6Al4V untersucht werden, deren Gas-Wandwechselwirkungseigenschaften von hohem Interesse für Weltraum- und auch Erd-gebundene Anwendungen sind.Das Projekt hat eine Laufzeit von drei Jahren und ist in fünf Arbeitspakete eingeteilt. Deren Struktur teilt die experimentellen und numerischen Aktivitäten aufgrund logischer und chronologischer Anforderungen ein. Zur Kalibrierung der Strömungsbedingungen und zur Charakterisierung der Materialien ist eine kleine aber essentielle Erweiterung der vorhandenen Diagnostik vorgesehen. Das Vorhaben schließt mit der Validierung des Verfahrens, indem mit dem katalyzitätsbasierten Sensorsystem PHLUX an einer im Vorhaben sehr gut charakterisierten Strömungsbedingung die Plasmazusammensetzung gemessen sowie mit Daten aus unabhängigen Verfahren verglichen wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Stefanos Fasoulas