Hypersonic shock wave boundary layer interactions over compression corners

Abstract

The present thesis addresses the problem of hypersonic shock wave boundary layer interactions over simplified geometric configurations that simulate the region of deflected control surfaces on lifting reentry vehicles. The primary objectives of this experimental investigation have been to contribute to the understanding and modeling of the relevant flow processes and to provide a reliable database for the development and/or evaluation of theoretical prediction methods that may then be safely applied by the designer. The study has focused on the influence of the interactions upon control effectiveness and heating; particular emphasis has been placed on the latter.The geometries investigated include flat plate / two-dimensional and swept compression ramp configurations. Experiments have been carried out in the two hypersonic wind tunnels of the von Karman Institute at Mach numbers of 6 and 14 and Reynolds numbers in the range of 0.3 x 106 to 2.5 x 106, where the length scale is taken as the distance between the leading edge of the flat plate and the hinge line or apex of the deflected ramp. Surface and schlieren flow visualizations and quantitative pressure and heat transfer measurements have been performed and the data has been, extensively and critically, compared to theoretical predictions.As a result of the present investigation, guidelines are provided as to how the designer could employ simple semi-empirical tools to predict the flow over deflected control surfaces. A universal peak heating correlation has been developed on the basis of the reference temperature concept. Striation heating, which is frequently observed in reattaching flow regions, has been measured and an upper limit identified as the local mean turbulent heating level. Special attention has been given to the characterization of the flow conditions as well as the measurements, and some of the results are particularly suitable for the purposes of CFD code validation.Finally, an extensive description of the two hypersonic wind tunnels that have been employed and of the significant effort undertaken in the course of the present study to update them is given, providing details of their performance capabilities and operation. State-of-the-art measurement techniques are also discussed in depth, as these have been successfully applied during the present investigation.

Η παρούσα διατριβή ασχολείται με το πρόβλημα της αλληλεπίδρασης κρουστικών κυμάτων με το οριακό στρώμα σε υπερυπερηχητική ροή πάνω από απλουστευμένες γεωμετρικές μορφές που προσομοιώνουν την περιοχή επιφανειών ελέγχου οχημάτων επανεισόδου στην ατμόσφαιρα. Οι κύριοι στόχοι της πειραματικής αυτής έρευνας ήταν να συμβάλει στην κατανόηση και μοντελοποίηση των σχετικών ροϊκών φαινομένων και να παρέχει μια αξιόπιστη βάση δεδομένων για την ανάπτυξη ή / και την αξιολόγηση-επαλήθευση θεωρητικών μεθόδων πρόβλεψης που μπορεί στη συνέχεια να εφαρμοστούν με αξιοπιστία από το σχεδιαστή. Η μελέτη επικεντρώθηκε στις επιπτώσεις των αλληλεπιδράσεων στην αποτελεσματικότητα και τη θέρμανση των επιφανειών ελέγχου.Οι γεωμετρίες που διερευνήθηκαν περιλαμβάνουν συνδυασμούς επίπεδης πλάκας και ράμπας συμπίεσης. Πειράματα έχουν διεξαχθεί στις δύο υπερυπερηχητικές αεροσήραγγες του Ινστιτούτου von Karman σε αριθμούς Mach 6 και 14 και αριθμούς Reynolds μεταξύ 0,3 x 106 και 2,5 x 106, όπου η κλίμακα μήκους λαμβάνεται ως η απόσταση μεταξύ του χείλους προσβολής της επίπεδης πλάκας και της άρθρωσης ή της κορυφής της ράμπας συμπίεσης. Έχουν πραγματοποιηθεί οπτικές απεικονίσεις της ροής στην επιφάνεια και απεικονίσεις schlieren, καθώς και ποσοτικές μετρήσεις της κατανομής πίεσης και μεταφοράς θερμότητας. Τα πειραματικά δεδομένα έχουν αξιολογηθεί σε σύγκριση με θεωρητικές προβλέψεις.Ως κύριο αποτέλεσμα της παρούσας έρευνας, παρέχονται κατευθυντήριες οδηγίες ως προς το πώς ο σχεδιαστής θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει απλές, ημι-εμπειρικές μεθόδους για την πρόβλεψη της ροής που εκτρέπεται πάνω από επιφάνειες αεροδυναμικού ελέγχου. Έχει επίσης αναπτυχθεί και επαληθευθεί ένας γενικευμένος συσχετισμός μεταφοράς θερμότητας επί τη βάσει της έννοιας της θερμοκρασίας αναφοράς. Φαινόμενα ραβδωτής θέρμανσης, η οποία συχνά παρατηρείται σε περιοχές επανακόλλησης της ροής, έχουν καταγραφεί, και ένα ανώτερο όριο μεταφοράς θερμότητα έχει προσδιοριστεί ως η τοπική μέση τιμή τυρβώδους θέρμανσης. Ιδιαίτερη προσοχή έχει δοθεί στον χαρακτηρισμό των συνθηκών ροής, καθώς και τις μετρήσεις, και ορισμένα από τα αποτελέσματα είναι ιδιαίτερα κατάλληλα για τους σκοπούς της αξιολόγησης αριθμητικών μεθόδων CFD.Τέλος, περιλαμβάνεται μια εκτεταμένη περιγραφή των δύο υπερυπερηχητικών αεροσηράγγων που χρησιμοποιήθηκαν και της σημαντικής προσπάθειας που έγινε στο πλαίσιο της παρούσας μελέτης για την αναβάθμισή τους. Δίδονται λεπτομέρειες σχετικά με τις επιδόσεις και τη λειτουργία τους, αλλά και σχετικά με τεχνικές μέτρησης αιχμής, όπως αυτές εφαρμόστηκαν με επιτυχία στα πλαίσια της παρούσας έρευνας.