Hintergrund

Moderne Raketenantriebe stellen höchste Anforderungen an das Verständnis der zugrunde liegenden Strömungs-, Zünd- und Verbrennungsprozesse. Insbesondere unter kryogenen Bedingungen bestimmen komplexe Wechselwirkungen zwischen Einspritzung, Reaktion, Turbulenz und Wandwärmeübertragung maßgeblich die Effizienz, Stabilität und Lebensdauer von Raketenbrennkammern. Die Fähigkeit, diese Prozesse numerisch hochaufgelöst und zugleich recheneffizient abzubilden, ist daher ein zentraler Baustein für die Auslegung zukünftiger Raumfahrtantriebe.

Im Rahmen des durch das Eliteprogramm der Baden-Württemberg Stiftung geförderten Projekts Advancing Rocket Engine Design with Sparse Particle Methods sollen moderne Simulationsmethoden weiterentwickelt werden, die ein verbessertes physikalisches Verständnis ermöglichen und gleichzeitig für den Einsatz auf Hochleistungsrechnern geeignet sind.

Problemstellung und Aufgaben

Das Institut für Reaktive Strömungen (IRST) der Universität Stuttgart verfügt über langjährige Erfahrung in der Modellierung und Simulation turbulenter, reaktiver Strömungen sowie kryogener Mehrphasenströmungen unter realitätsnahen Bedingungen von Oberstufentriebwerken. Ein zentraler Baustein ist der auf OpenFOAM basierende institutseigene CFD-Löser mmcFoam, der auf stochastischen Partikelmethoden zur Beschreibung reaktiver Strömungen beruht.

Ziel des Projekts ist es, dieses Simulationsframework gezielt um Modelle für Wandinteraktionen zu erweitern, um insbesondere den für den Entwurf von Raketenantrieben entscheidenden Wandwärmestrom zuverlässig abzubilden. Darüber hinaus soll die rechenintensive Lösung der chemischen Quellterme durch den Einsatz neuronaler Netze und Methoden des maschinellen Lernens signifikant beschleunigt werden. Die entwickelten Modelle werden anhand von Referenzdaten analysiert, validiert und kontinuierlich weiterentwickelt.

Die Arbeiten erfolgen eingebettet in ein forschungsstarkes Umfeld mit ausgewiesener Expertise in hochaufgelöster CFD, reaktiven Mehrphasenströmungen und Hochleistungsrechnen sowie in enger Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Partnern aus Forschung und Raumfahrt.

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