Characterization of arc-heated wind tunnel's flow using tunable diode laser absorption spectroscopy coupled with numerical analysis

This research aims at analysing thermo-chemical properties of the hypersonic high-enthalpy flow in the L2K wind tunnel, situated in Köln at the German Aerospace Center (DLR). In the L2K wind tunnel, Martian atmosphere can be created, and the facility can simulate heat load conditions encountered during atmospheric entry of Martian missions. The focus of this project is the analysis of the non-intrusive experimental technique "Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy" (TDLAS), based on Line Of Sight (LOS) absorption spectroscopy, and applied to hypersonic flow. Martian atmosphere was used, and Carbon Monoxide (CO) line R7 was exploited to gather experimental data. A new interpretation for CO-TDLAS experimental technique applied to hypersonic wind tunnel flow analysis was developed, along with the definition of its points of strength and weakness. Numerical simulations with the DLR-TAU flow solver were used as support of this analysis, and match between simulations and experiments was observed. Flow speed and absorption line's width were measured, and the knowledge of L2K's flow structure was extended.

Questa ricerca ha lo scopo di analizzare le proprietà termochimiche del flusso ipersonico ad alta entalpia della galleria del vento L2K, situata a Colonia presso il Centro di Ricerca Aerospaziale Tedesco (DLR). Nella galleria del vento L2K è possibile creare l'atmosfera Marziana, e la struttura può simulare le condizioni di flusso termico incontrate durante l'ingresso in atmosfera delle missioni sul Pianeta Rosso. Il focus di questo progetto è l'analisi della tecnica sperimentale non intrusiva "Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy" (TDLAS), basata sulla spettroscopia di assorbimento, e applicata al flusso ipersonico. L'atmosfera Marziana è stata simulata, e la linea di assorbimento del Monossido di Carbonio (CO) R7 è stata sfruttata per la raccolta di dati sperimentali. Una nuova interpretazione per la tecnica sperimentale CO-TDLAS applicata all'analisi del flusso in galleria del vento ipersonica è stata sviluppata, permettendo la definizione dei punti di forza e di debolezza di questa tecnica sperimentale. A supporto di questa analisi sono state utilizzate simulazioni numeriche eseguite con il flow solver DLR-TAU, e una corrispondenza tra simulazioni ed esperimenti è stata osservata. La velocità del flusso e la larghezza della linea spettrale sono state misurate, e la conoscenza della struttura del flusso nella galleria L2K è stata estesa.