Validation study of numerical simulations by comparison to measurements in piston-driven shock-tunnels

The simulation of high enthalpy flows, both experimentally and numerically, is a topic of international research efforts. It is important to understand and quantitatively describe the aerothermodynamic phenomena of high speed/high enthalpy flows in order to develop more capable reusable space transportation systems. A CFD-method is used here to model several piston driven shock tunnels used around the world to experimentally study re-entry and supersonic combustion phenomena. The results are compared to measured data (pressure and shock speed) of the various tunnels and shows that the approach is valid and is ideal for the development of new tunnel operating conditions and new tunnels. Using the numerical models, test facilities are compared to each other. For the medium enthalpy condition presented here, the tunnels produce similar test conditions, with the bigger ones having greater levels of nozzle supply pressure relative to the diaphragm rupture pressure, and greater test time.

ZusammenfassungDie Simulation von Hochenthalpieströmungen ist Gegenstand internationaler Forschungsanstrengungen sowohl in experimenteller als auch numerischer Hinsicht. Es ist wichtig, aerothermodynamische Phänomene von Hochgeschwindigkeits- bzw. Hochenthalpieströmungen zu verstehen und quantitativ beschreiben zu können, um leistungsfähigere wieder verwendbare Raumtransportsysteme zu entwickeln. Eine CFD-Methode wird hier zur Modellierung verschiedener kolbengetriebener Stoßwellenkanäle verwandt, die weltweit der experimentellen Untersuchung von Wiedereintritts- und Überschallverbrennungsphänomenen dienen. Die Ergebnisse werden mit gemessenen Daten (Druck und Stoßgeschwindigkeit) der verschiedenen Kanäle verglichen und zeigen die Gültigkeit des Ansatzes sowie die Eignung zur Entwicklung von neuen Testbedingungen und neuen Kanälen. Für die hier diskutierten mittelhohen Enthalpien ergeben die Kanäle ähnliche Testbedingungen, wobei die größeren bessere Verhältnisse von Düsentotal- zu Membranberstdruck und größere Testzeiten haben.