Forschungsbericht 2017-01 AK Flock

159 Pages·2017·13.54 MB·English

Forschungsbericht 2017-01
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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
Institut für Aerodynamik und
Strömungstechnik
Abteilung Über- und
Hyperschalltechnologien
Köln
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ISSN 1434-8454 Fl

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K

ISRN DLR-FB--2017-01 A.
D93
Simultaneously published as doctoral thesis at the Faculty of
Aerospace Engineering and Geodesy of the University of Stuttgart.
Erscheint gleichzeitig als Dissertation an der Fakultät für
Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie der Universität Stuttgart.
Herausgeber Deutsches Zentrum
für Luft- und Raumfahrt e. V.
Bibliotheks- und
Informationswesen
D-51170 Köln
Porz-Wahnheide
Linder Höhe
D-51147 Köln
Telefon [phone] - 44 44
Telefax (0 22 03) 6 01 - 47 47
Als Manuskript gedruckt.
Abdruck oder sonstige Verwendung
nur nach Absprache mit dem DLR gestattet.
ISSN 1434-8454
Hypersonics, Air-Breathing Propulsion, Scramjet, Analytical Intake Design, Supersonic
Diffusor, Intake Starting
Andreas K. FLOCK
Institute of Aerodynamics and Flow Technology within DLR, Supersonic and Hypersonic
Technologies Department, Köln, Germany

Design and Performance Analysis of Three-Dimensional Air Intakes for Supersonic
Combustion Ramjet Engines

Doctoral Thesis University of Stuttgart
DLR-Forschungsbericht 2017-1, 2017, 153 pages, 105 figures, 14 tables, 119 references,
33.00 € plus taxes

The Supersonic Combustion Ramjet (SCRamjet) engine is an efficient propulsion device for
supersonic and hypersonic velocities. The present work focuses on the SCRamjet air intake
which serves as the engine’s compressor. First, an analytical intake design tool was
developed to generate so called streamline traced intake geometries. Second, the starting
behavior of hypersonic air intakes was investigated experimentally in a blow down wind
tunnel with a three-dimensional intake model with planar surfaces. A semi-empirical estimate
was developed to predict intake starting of three-dimensional intake geometries. Third, the
three-dimensional intake was further investigated experimentally and results were compared
to numerical simulations. Finally, the performance of the three-dimensional intake was
compared to the performance of different streamline traced intakes, designed with the
analytical tool. Overall, the specific impulse of the streamline traced intakes was
approximately 10 % higher compared to the three-dimensional intake configuration.

Hyperschall, Luftatmender Antrieb, Scramjet, Analytische Einlaufauslegung, Überschall-
diffusor, Einlauf-Startverhalten
(Published in English)
Andreas K. FLOCK
Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik des DLR, Abteilung Über- und
Hyperschalltechnologien, Köln

Auslegung und Leistungscharakterisierung von dreidimensionalen Lufteinläufen für
SCRamjet Antriebe

Dissertation Universität Stuttgart
DLR-Forschungsbericht 2017-1, 2017, 153 Seiten, 105 Bilder, 14 Tabellen, 119 Literatur-
stellen, 33,00 € zzgl. MwSt.

Der Supersonic Combustion Ramjet (SCRamjet)-Motor ist ein effizienter Antrieb für den
Über- und Hyperschallflug. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf den Lufteinlauf,
welcher als Kompressor dient. Zuerst wurde ein analytisches Einlaufauslegeverfahren
entwickelt, um so genannte „Streamline-Traced“ Geometrien zu generieren. Als nächstes
wurde das Startverhalten von Hyperschalleinläufen anhand eines dreidimensionalen
Rampen-Einlaufmodells experimentell in einem Windkanal untersucht. Eine halb-empirische
Abschätzung wurde entwickelt um das Startverhalten von dreidimensionalen
Einlaufgeometrien vorherzusagen. Weiterhin wurde der Rampen-Einlauf experimentell näher
untersucht und Ergebnisse wurden mit numerischen Simulationen verglichen. Zuletzt wurden
die Leistungsparameter des Rampen-Einlaufs mit denen von „Streamline-Traced“ Einläufen
verglichen. Insgesamt war der spezifische Impuls der „Streamline-Traced“ Einläufe etwa
10% höher verglichen mit den Rampeneinläufen.

Forschungsbericht 2017-01

Design and Performance Analysis of
Three-Dimensional Air Intakes for Su-
personic Combustion Ramjet Engines

Andreas K. Flock

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
Institut für Aerodynamik und
Strömungstechnik
Abteilung Über- und
Hyperschalltechnologien
Köln

153 Seiten
105 Bilder
14 Tabellen
119 Literaturstellen

Design and Performance Analysis of Three-Dimensional Air
Intakes for Supersonic Combustion Ramjet Engines
AthesisacceptedbytheFacultyofAerospaceEngineeringandGeodesyoftheUniversityof
StuttgartinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofEngineering
Sciences(Dr.-Ing.)
by
AndreasK.Flock
borninSchweinfurt,Germany
MainReferee: Prof. Dr.-Ing. EwaldKrämer
Co-Referee: Prof. Dr.-Ing. HerbertOlivier(RWTHAachen,Germany)
DateofDefense: 18. November2016
InstituteofAerodynamicsandGasDynamics
UniversityofStuttgart
2017

Preface
I conducted the present work within the Supersonic and Hypersonic Technology Department of the In-
stitute of Aerodynamics and Flow Technology at the German Aerospace Center (DLR) Köln. For the
opportunity to conduct this work, the outstanding working conditions, and the scientific advice I sin-
cerely thank Dr. Ali Gülhan. Furthermore, I thank Prof. Dr. Ewald Krämer for being my main referee,
and Prof. Dr. Herbert Olivier for being my co-referee. I am convinced that the expertise of both was
essentialduringthepreparationofthismanuscript.
Next, I would like to thank the entire Supersonic and Hypersonic Technology Department for the great
working atmosphere and inspiring discussions held during various opportunities. In particular I would
liketothankMarcoSchmorsandMichaelKosbowforthetechnicalsupportandadviceduringthewind
tunnel experiments; Dr. Burkard Esser for advice on computer related issues and high temperature
effects;SergejBlem,Dr. PatrickGruhn,Dr. DirkHerrmann,andDr. OliverHohnfordiscussionsonair
breathing propulsion. Finally, I would like to thank Matthias Koslowski, Dominik Neeb, Dr. Johannes
Riehmer,andDominikSaileforthevividdiscussions,greatadvices,andfruitfulcommentsmadeinthe
contextofthisworkandbeyond.
I also would like to thank the German Research Foundation (DFG) for the funding of the project. As
English is not my first language I depended on various editors, which all added to the quality of the
manuscript. InthiscontextIwouldliketothank: NicolasDeLouise,SamDuckitt,Dr. AbhinavKrishna,
Dr. SiddarthKrishnamoorthy,AngelaPavuk,AmitRoghelia,JessicaThompson,andKyleZienin.
Finally, and most importantly, I would like to thank my family and friends, for the granted motivation
during the past few years. In particular I would like to thank my parents, who not only supported me
duringmytimeatDLRbutduringmyentirelife. Last,IwouldliketothankAntoniaforbeinggreat!
Köln,November2016 AndreasFlock
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