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In dieser Arbeit werden die physikalischen Grundlagen zur Analyse des Wärmeübergangs und der Strömung in einem Kühlkanal mit kryogenen überkritischen Wasserstoff als Kühlmedium ausgearbeitet. Die Behandlung von Realgaseffekten mit Hilfe der thermophysikalischen Bilanzgleichungen wird untersucht. Eine eindimensionale Berechnungsmethode der Kühlkanalströmung mit Verwendung empirischer Korrelationen für den Wärmeübergang und den Druckverlust, welches derzeit als Standardberechnungswerkzeug in der Schubkammertechnologie gilt, wird entwickelt. Dreidimensionale Berechnungsmethoden werden auf den Fall regenerativ gekühlter Wandstrukturen von Schubkammern angewendet. Lösungsansätze für das thermisch gekoppelten Fluid-Struktur Problem sollen aufgezeigt und an Hand definierter Testfälle und experimenteller Daten die Vorhersagegenauigkeit der einzelnen Modellansätze überprüft und bewertet werden. Darüber hinaus sollen Ursachen für den erforderlichen Korrekturbedarf bei der Wärmeübergangs- und Druckverlustberechnung gefunden werden.
Die von Kacynski im Zusammenhang mit regenerativ gekühlten Schubkammern erstmals erwähnte thermische Schichtung innerhalb des Wasserstoffströmung wird theoretisch untersucht. Zu diesem Zweck wird ein neuer Ansatz zur Berechnung der Wasserstoffströmung mit Verwendung empirischer Modelle und der Berücksichtigung der thermischen Schichtung im Fluid vorgestellt. Ein zeiteffizientes Verfahren für die Optimierung von Wandstrukturen soll hiermit bereitgestellt werden.
Basierend auf diesen theoretischen Voruntersuchungen wird ein zylindrisches Brennkammersegment konstruiert. Mit diesem soll es ermöglicht werden, den Effekt der thermischen Schichtung in Abhängigkeit von der Geometrie des Kühlkanals, der Wärmestromdichten sowie dem Kühlmassenstrom erstmalig systematisch zu bestimmen. Mittels dieser Versuchskonfiguration mit vier verschiedenen Kanalgeometrien und der großen Dichte der Messsensoren soll eine experimentelle Datenbasis zur Validierung verfügbarer Berechnungsmethoden für den Wärmeübergang und den Druckverlust in Kühlkanälen unter Bedingungen, wie sie in einem realen Triebwerk vorherrschen, generiert werden.
Die Methode der inversen Temperaturfeldbestimmung aus lokalen Messungen der Strukturtemperatur wird für eine Charakterisierung des Wärmeübergangsverhaltens als Analyseverfahren in der Planung des Versuchs berücksichtigt. Die Ergebnisse dieses Verfahrens werden mit der kalorimetrischen Methode der Bestimmung der Wandwärmestromdichten verglichen. Das Problem der Messung von Temperaturen im kryogenen Bereich wird ausführlich diskutiert. Eine Abschätzung der Auswirkungen durch Messunsicherheiten und systematische Fehler zur Bestimmung von Temperaturen, Massenströmen sowie Drücken auf die Aussagekraft der Ergebnisse wird durchgeführt.
Nach Validierung der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Berechnungsverfahren mit Hilfe des Kühlkanalexperiments wird das Potential von Technologien zur positiven Beeinflussung des kühlmittelseitigen Wärmeübergangs unter Berücksichtigung der thermischen Schichtung aufgezeigt. Die Anwendung von Kühlkanälen mit hohem Seitenverhältnis AR sowie der Einsatz selektiver Rauhigkeit im Bereich der Kühlkanalwände wird an Hand eines definierten Testfalls beurteilt.
