Aerothermodynamic behaviour of a generic nosecap model including thermomechanical structural effects

For a generic nosecap model in hypersonic flow, coupled simulations for aerothermodynamic and structure have been performed. In a first step the characterisation of the thermochemically frozen flow around the model in the arc heated facility was done using nonequilibrium modelling, followed by thermally and thermomechanically coupled analyses of the 2D configuration. The physical effects of heat conduction inside the structure and thermomechanically driven deformations including the interactions could reproduce the experimental data. Studies for geometrical modifications of the nose region, 3D investigations and step-configurations at the generic model have been carried out. Finally, the unsteady temperature behaviour of the model being injected in an arc heated facility was simulated and showed good agreement with the temporal temperature behaviour during the experimental tests.

ZusammenfassungFür ein generisches Nasenkappenmodell wurden gekoppelte Simulationen in heißer Hyperschallströmung unter Berücksichtigung des thermomechanischen Strukturverhaltens durchgeführt. In einem ersten Schritt wurde die gefrorene Strömung in der Messkammer eines lichtbogenbeheizten Windkanals unter Nichtgleichgewichtsbedingung charakterisiert. Daraufhin wurden thermal sowie thermomechanisch gekoppelte Simulationen an einem 2D Modell durchgeführt. Die numerischen Ergebnisse reproduzieren dabei die im Experiment auftretenden physikalischen Effekte sehr gut. Weitere Untersuchungen bezüglich geometrischer Einflüsse wie Nasenradius sowie 3D Modellierung und Stufenkonfigurationen wurden durchgeführt. Schließlich wurde das zeitgenaue Aufheizverhalten des 2D Modells nach dem Einfahren in den Hyperschallstrahl des Windkanals nachgebildet. Das numerisch ermittelte zeitliche Temperaturverhalten steht dabei in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Daten.