Analysis of hypersonic flows in thermodynamic non-equilibrium conditions with applications in atmospheric reentry

Orientadores: William Roberto Wolf, João Luiz Filgueiras de Azevedo Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Este trabalho apresenta uma análise de escoamentos em regime laminar hipersônico envolvendo não-equilíbrio termodinâmico sobre configurações de cápsulas e satélites durante a fase de re-entrada atmosférica. Os escoamentos são modelados utilizando as equações de Navier-Stokes modificadas para incluir os efeitos de reações químicas e calcular a transferência entre diferentes modos de energia. Apesar da baixa densidade do escoamento, é mostrado que o meio pode ser modelado como contínuo e que uma aproximação de escoamento laminar é válida. As equações são resolvidas numericamente através do método de volumes finitos. O esquema numérico empregado resolve os termos de fluxo convectivo entre células usando um método de Steger-Warming modificado para reduzir a dissipação artificial em regiões de camada limite. O avanço temporal das equações é realizado por um método implícito de marcha no tempo para evitar o problema de rigidez numérica proveniente dos termos de reações químicas e com o intuito de acelerar a convergência para o estado estacionário. As elevadas temperaturas típicas de escoamentos hipersônicos induzem o não-equilíbrio termodinâmico, e o modelo de duas temperaturas de Park é usado para se calcular os modos de temperatura translacional-rotacional e vibracional-eletrônico. Estudos sobre os efeitos de dissociação e ionização das misturas de gases são apresentados incluindo uma análise da topologia dos escoamentos e de suas propriedades termodinâmicas. Uma investigação dos escoamentos sobre as cápsulas de reentrada MARS PATHFINDER, FIRE II e RED DRAGON é apresentada, além de um estudo sobre o satélite brasileiro SARA. Os resultados numéricos de distribuição de fluxo térmico sobre a superfície da cápsula MARS são comparados com dados experimentais disponíveis na literatura como forma de validar as soluções numéricas. Escoamentos de ar e dióxido de carbono são considerados nas análises. Uma comparação entre escoamentos reativos e inertes é apresentada para o satélite SARA considerando diversas condições da trajetória de reentrada atmosférica. Neste caso, comparações são realizadas com simulações diretas de Monte Carlo para condições de números de Knudsen elevados. Condições de contorno envolvendo paredes catalíticas são apresentadas no estudo sobre a cápsula FIRE II para condições extremas de números de Mach onde os efeitos de ionização são relevantes. Finalmente, uma investigação sobre a cápsula RED DRAGON é apresentada para uma mistura de gases que modela a atmosfera do planeta Marte. Abstract: This work presents an analysis of hypersonic laminar flows involving thermodynamic non-equilibrium over configurations of capsules and satellites during the phase of atmospheric reentry. The flows are modeled using the Navier-Stokes equations which are modified to include the effects of chemical reactions and calculate the energy transfer between different modes. Despite the low density flows, it is shown that the medium can be modeled as a continuum and that a laminar flow approximation is valid. The equations are solved numerically using the finite volume method. The numerical scheme resolves the convective flux terms between cells using a modified Steger-Warming method that reduces artificial dissipation in boundary layers. The time integration of the equations is performed using an implicit time-marching scheme to avoid the numerical stiffness arising from the chemical reaction terms and to accelerate the steady-state convergence. The high temperatures typical of hypersonic flows induce thermodynamic non-equilibrium, and Park¿s two-temperature model is used to calculate the translational-rotational and vibrational-electronic temperature modes. Studies on the dissociation and ionization effectsof gas mixtures are presented, including an analysis of the flow topology and its thermodynamic properties. An investigation of the flows over the MARS PATHFINDER, FIRE II and RED DRAGON reentry capsules is presented in addition to a study of the Brazilian satellite SARA. Numerical results are presented in terms of surface thermal flux distribution for the MARS capsule and they are compared against experimental data available in the literature to validate the numerical solutions. Air and carbon dioxide flows are considered in the analyzes. A comparison between reactive and inert flows is presented for the SARA satellite considering several conditions of the atmospheric reentry path. In this case, comparisons are made with Direct Simulations Monte Carlo for conditions of high Knudsen numbers. Boundary conditions involving catalytic walls are presented in the study of the FIRE II capsule for extreme Mach number conditions where ionization effects are relevant. Finally, an investigation of the RED DRAGON capsule is presented for a mixture of gases that models the atmosphere of the planet Mars. Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica CNPQ 309985/2013-7;304335/2018-5; 407842/2018-7 FAPESP