Dissertação

{en_GB=State-to-State Transport in Hypersonic Entry Flows} {} EVALUATED

{pt=O presente trabalho propõe-se a analisar escoamentos hipersónicos em desequilíbrio, em torno de veículos de entrada atmosférica. O desenho destes veículos e dos respectivos sistemas de proteção térmica requere a modelação adequada dos fenómenos de transporte a alta temperatura. Nesta tese, os processos de dissociação e de relaxação para a transferência de energia vibracional são tratados utilizando uma abordagem cinética state-to-state. Um estudo numérico do escoamento de azoto a alta velocidade em torno de uma esfera foi realizado com o objectivo de avaliar o impacto da implementação de coeficientes de transporte numa abordagem state-to-state, no código SPARK. Duas aproximações foram consideradas utilizando o modelo Gupta-Yos: uma transposição directa das propriedades de transporte macroscópicas para cada estado interno, e a mesma transposição multiplicada por um factor correctivo, considerando o aumento das secções de colisão para moléculas vibracionalmente excitadas. Consideraram-se vários modelos aerotermodinâmicos: Euler state-to-state e Navier-Stokes state-to-state, uma-temperatura e duas-temperaturas. A inclusão de fenómenos de transporte na abordagem state-to-state (Navier–Stokes vs. Euler) resultou em variações das propriedades do escoamento mais suaves, traduzido num pico de temperatura 15% inferior com uma posição do choque aproximadamente igual. Comparando a simulação Navier-Stokes state-to-state com a simulação a duas-temperaturas, a primeira abordagem resultou num choque mais afastado da parede e num pico de temperature superior, em 10% e 5%, respectivamente. Contudo, o impacto do modelo State-Dependent Collisional Cross-Section revelou-se desprezável, em conformidade com assumpções da literatura. Os efeitos dos processos de dissociação e de excitação vibracional revelaram-se mais acentuados para temperaturas a montante mais elevadas., en=This work studies nonequilibrium hypersonic flows surrouding space reentry vehicles. The design of such vehicles and its associated thermal protection systems relies on the accurate modelling of transport phenomena. In this thesis, dissociation and vibrational energy transfer relaxation processes are treated using a state-to-state kinetics approach. A numerical study is carried out to assess the impact of using state-specific transport coefficients in CFD simulations of hypersonic external flowfields. The Gupta-Yos/CCS macroscopic transport model, available in the SPARK code, has been transposed to state-to-state species, considering in a first approximation that state-specific transport properties are equivalent to the macroscopic ones. Additionally, a state-dependent collisional cross-section model has been implemented, taking into account the increase of collision cross-sections for vibrationally excited molecules. The code was successfully applied to the simulation of a 7 km/s nitrogen flow past a sphere. Different physical models were considered: Euler and Navier-Stokes state-to-state, Navier-Stokes one and two-temperature. Considering transport phenomena in a state-to-state approach resulted in smoother variations of flow properties, with a 15% lower peak temperature and similar shock position. Comparing the viscous state-to-state simulations with the two-temperature ones, the state-to-state approach yielded respectively a 10% and 5% larger shock standoff distance and peak temperature. A comparison of the standard state-to-state transport model with the one considering enchanced collision cross-sections yielded minimal differences in the obtained results, in agreement with the assumptions from the litterature. The effects of dissociation and vibrational excitation processes were confirmed to be emphasised for higher freestream temperatures.}
{pt=Reentrada, Hipersónico, Transporte, State-to-State, en=Reentry, Hypersonic, Transport, State-to-State}

Setembro 13, 2018, 14:0

Orientação

ORIENTADOR

Maria Luís Grácio Bilro Castela

Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear (IPFN)

ORIENTADOR

Mário António Prazeres Lino da Silva

Departamento de Física (DF)

Professor Auxiliar Convidado