Simulation of streamwise vortices at the flaps of re-entry vehicles

The present study investigates separated flows in the flap region of the X-38 re-entry demonstrator with respect to the heat loads downstream reattachment induced by streamwise vortices. In a first step generic numerical flow simulations of turbulent ramp configurations with artificially induced vortex disturbances are compared with wind tunnel data of the Ludwieg tube facility in Göttingen (RWG). The results allow insight into the perturbed flow field, the associated flow topology and the influence of different flow parameters that affect the perturbations. For numerical resolution of streamwise vortices in the boundary layer of re-entry vehicles local grids are generated around the flaps of the X-38 vehicle. Extensive studies of arranging and refining the local grids demonstrate good grid convergence. For laminar cases and cases with fixed transition vortex effects on the heat transfer are observed with and without artificial vortex excitation.

Zusammenfassung

Ziel der vorgelegten Studie ist die Untersuchung abgelöster Strömungen im Klappenbereich des X-38 Wiedereintrittsdemonstrators hinsichtlich der durch Längswirbel entstehenden thermischen Belastungen stromab der Anlegelinie. Im ersten Schritt werden turbulente generische Rampenkonfiguratiorien mit künstlich induzierten Wirbelstörungen mit Windkanaldaten des Ludwierohrkanals in Göttingen (RWG) verglichen. Die Ergebnisse erlauben einen Einblick in die Störströmung, der zugehörige Strömungstopologie und der Einflüsse verschiedener Parametervariationen auf die Störströmung. Zur numerischen Auflösung der Längswirbel in der Grenzschicht von Wiedereintrittsvehikeln wurden lokale Netze um die X-38 Klappen generiert. Ausführliche numerische Studien nach Umordnung und Verfeinerung der lokalen Netze zeigen eine gute Netzkonvergenz der Ergebnisse. In laminaren Fällen und solchen mit fester Transition wurden Wirbeleinflüsse auf den Wärmestrom mit und ohne künstliche Wirbelanregung beobachtet.