Emission spectroscopic investigation of the flow field around a blunt body in a high enthalpy flow

Autor: Winter, Michael W. G.
Přispěvatelé: Auweter-Kurtz, Monika (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Jazyk: němčina
Rok vydání: 2006
Předmět:
Popis: In dieser Arbeit werden emissionsspektroskopische Messungen im Freistrahl als auch in der kör-pernahen Probenumströmung eines magnetoplasmadynamischen Generators analysiert. Rotations- und Vibrationstemperaturen der Moleküle NO, O2, N2 und N2+ sowie elektronische Anregungstem-peraturen von atomarem Sauerstoff und Stickstoff und von NO wurden aus den Messungen be-rechnet. Zu diesem Zweck wurde ein Programmpaket zur theoretischen Simulation der Molekül-strahlung zweiatomiger Moleküle entwickelt und zur Untersuchung der Moleküle eingesetzt. Zur Überprüfung dieses Programms wurden am Plasmawindkanal und an einem Mikrowellengenerator die Strahlung von NO, N2 und N2+spektral hoch aufgelöst gemessen. Zusätzlich zu den emissions-spektroskopischen Untersuchungen wurden unterstützende Messungen mit elektrostatischen Son-den zur Ermittlung von Elektronentemperatur und –dichte und mit einem Fabry-Perot Interferome-ter zur Bestimmung von Translationstemperatur durchgeführt. Zur Interpretation der Ergebnisse wurde eine numerische Simulation der Probenumströmung herangezogen. Für diese Simulation wurde aus schon vorliegenden Messwerten für die Plasmaenthalpie unter Annahme von thermody-namischem Gleichgewicht ein Anströmzustand berechnet, der angepasst wurde, bis die Numerik die gemessenen Oberflächenlasten reprodizierte. Die Ergebnisse der numerischen Simulation der Probenumströmung wurden auf der Staustromlinie mit den Messergebnissen verglichen. Die emissionsspektroskopischen Experimente fanden sowohl vor einer wassergekühlten Sonde mit Kupferoberfläche als auch vor einer bei 1700°C glühenden Siliziumkarbid (SiC) Materialprobe statt. Die Berechnung von Molekültemperaturen war jedoch bedingt durch die in der Simulation nicht berücksichtigten Einflüsse der Strahlung der Erosionsprodukte nur vor der gekühlten Ober-fläche möglich. Die Messergebnisse wurden zudem durch hochfrequente Plasmaoszillationen be-einträchtigt, deren Einfluss durch zeitlich aufgelöste emissionsspektroskopische Messungen und durch Messungen mit elektrostatischen Sonden abgeschätzt wurde. Abschließend wurde ein Wiedereintrittsspektrometersystem (RESPECT) vorgeschlagen und für den Einsatz auf der Wiedereintrittskapsel EXPERT der ESA ausgelegt. In enger Kopplung an die Numerik sind die Ergebnisse des für 2008 vorgesehenen Fluges zur Überprüfung der verwendeten Chemiemodelle unter besonderer Berücksichtigung von Nichtgleichgewicht vorgesehen.
Emission spectroscopic measurements of the free stream and the boundary layer around a blunt body in a subsonic plasma flow produced by a magneto plasma dynamic generator (MPG) are ana-lysed. Rotational and vibrational temperatures of NO, O2, N2 and N2+ as well as electronic excita-tion temperatures of atomic oxygen and nitrogen were calculated from the measured data. For this purpose, a code for the spectral simulation of the radiation of homonuclear molecules was devel-oped and applied to the measured data. The simulation was controlled by emission spectroscopic measurements in high spectral resolution of plasmas generated by the MPG and by a microwave generator. The emission spectroscopic experiments were supplemented by measurements with elec-trostatic probe to determine electron temperature and density distributions and by measurements with a Fabry-Perot interferometer for the determination of translational temperature. To support the interpretation of the measured data, a numerical simulation of the flow field around the blunt body was used. The upstream inflow condition for this simulation was determined from an evaluation of already measured specific enthalpies under the assumption of equilibrium and iteratively adapted until the numerically determined surface loads were in agreement with the measured ones. The results of the numerical simulation were compared to the measurement along the stagnation line. Although the emission spectroscopic measurements took place in front of a water-cooled copper probe and of a silicon carbide (SiC) material probe at 1700°C, the determination of molecular tem-peratures could only be performed in front of the water-cooled copper surface since the erosion product were not included in the spectral simulation. In addition, the measurements were disturbed by high frequency oscillations. The effect of these oscillations was investigated by timely resolved emission spectroscopy and by measurements with electrostatic probes. Finally, a re-entry spectrometer system (RESPECT) was proposed and a design for the European re-entry capsule EXPERT was developed. With strong coupling to numerical simulation, the re-sults of the flight, expected for 2008, will be used for a validation of the chemical models imple-mented in the numerical simulation with particular respect to non-equilibrium effects.
Databáze: OpenAIRE
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