Efficient Simulation of Thermochemical Nonequilibrium Flows using Highly-Resolved H-Adapted Grids

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Accurate and easy to handle simulation tools are needed for the design and development of future space transportation systems. The simulation of hypersonic flow fields in thermochemical nonequilibrium is a challenging task, as a variety of flow features on various time and length scales needs to be properly resolved.

With this purpose in mind, a general CFD solver framework is developed in this doctoral thesis. It combines the multiscale-based grid adaptation with the necessary physical models and numerical methods for the simulation of arbitrary reaction models in thermochemical nonequilibrium. The developed tools and methods are incorporated into the QUADFLOW solver, an integrated concept of grid generation, grid adaptation and finite-volume flow solver.

The modified QUADFLOW solver is then applied to pertinent applications. The injection of various cooling gases into a supersonic boundary layer demonstrates the versatility of the QUADFLOW solver at the example of a low enthalpy configuration. The simulated high-enthalpy Edney type IV and type VII shock-shock interactions represent a complex and challenging flow configuration. A high resolution of the vortex structures in the inner flow field and of the boundary layer is achieved at the same time.

Für die Auslegung und Entwicklung zukünftiger Raumtransportsysteme werden Simulationslösungen benötigt, die präzise und einfach in der Handhabung sind. Die Simulation hypersonischer Strömungen im chemischen und thermischen Nichtgleichgewicht ist eine anspruchsvolle Aufgabe, da eine Vielzahl von Strömungseffekten auf verschiedenen Zeit- und Längenskalen aufgelöst werden muss.

In der vorliegenden Dissertation wird eine speziell für diese Aufgabe optimierte CFD Simulationslösung entwickelt. Hierzu wird eine multiskalen-basierte Gitteradaption mit den notwendigen physikalischen Modellen und numerischen Methoden kombiniert die
erforderlich sind, um beliebige Reaktionsmodelle im chemischen und thermischen Nichtgleichgewicht zu simulieren. Die entwickelten Modelle und Methoden werden in QUADFLOW implementiert, einer integrierten Simulationslösung bestehend aus Gittergenerierung, Gitteradaption und Finite-Volumen Strömungslöser.

Die modifizierte QUADFLOW Simulationslösung wird im Anschluss zur Simulation einschlägiger Anwendungsbeispiele eingesetzt. Die Kühlgaseinspritzung verschiedener Gase in eine Überschallgrenzschicht demonstriert eindrucksvoll die Vielseitigkeit von QUADFLOW am Beispiel einer Konfiguration mit geringer Enthalpie. Die simulierten Edney Typ IV und Typ VII
Stoß-Stoß Interaktionen stellen komplexe und anspruchsvolle Konfigurationen mit hoher Enthalpie dar. In diesem Fall konnte eine hohe Auflösung sowohl der Wirbelstrukturen im inneren Strömungsfeld als auch der Grenzschicht erzielt werden.