Düsenströmung

  Düsenströmung Urheberrecht: © Fraunhofer ILT Gasströumung aus einer Lavaldüse auf eine Oberfläche mit Schnittfuge

Die Strömung von kompressiblen, reibungsfreien Gasen ohne Wärmeleitung wird durch die Euler Gleichungen (Massen-, Impuls- und Energieerhaltung) beschrieben. Die Euler Gleichungen stellen ein System von nichtlinearen hyperbolischen partiellen Differentialgleichungen dar. Nichtlineare hyperbolische Erhaltungsgleichungen erzeugen diskontinuierliche Lösungen. Zur Berechnung von Gasströmungen wird ein Finite Volumen Verfahren vom Godunov-Typ verwendet. Dieses Verfahren löst zur Berechnung der numerischen Flüsse an den Zellberandungen der Finiten Volumen Riemann Probleme. Die Riemann Probleme werden approximativ durch ein modifiziertes Harten-Lax-Leer Verfahren gelöst.

Im nachfolgenden Beispiel wird eine Gasströmung aus einer Lavaldüse berechnet. Die Gasströmung wird innerhalb der Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und tritt mit Umgebungsgasdruck aus der Düse aus. Der Gasstrahl trifft nach einer kurzen Expansionsphase auf eine solide Oberfläche mit einer Vertiefung. Zunächst wird eine Druckwelle an einem ebenen Stück der Oberfläche reflektiert. Danach trifft der Gasstrahl auf die Vertiefung und wird am Boden der Vertiefung reflektiert. Der reflektierte Gasstrahl wechselwirkt mit dem Strahl aus der Düse. Dargestellt ist die Druckverteilung im Gas. Unterschiedliche Druckwerte sind durch unterschiedliche Farbwerte dargestellt. Die Farb- und Druckskala reicht von blau bei 1 Bar bis zu rot bei 3 Bar.