Soluzioni numeriche di flussi ipersonici in presenza di effetti di dissociazione e ionizzazione del gas

Abstract

I flussi ipersonici rappresentano una delle principali sfide che l’ingegneria aeronautica dovrà affrontare nel corso di questo secolo: raggiungere velocità superiori a cinque volte quella del suono significa confrontarsi con onde d’urto intense, con un innalzamento drastico della temperatura e con reazioni chimiche complesse, quali dissociazione e ionizzazione del gas. In questo elaborato tali fenomeni sono stati approfonditi sia da un punto di vista teorico, sia mediante simulazioni numeriche di fluidodinamica computazionale eseguite con il software Cradle CFD di Hexagon. Una prima serie di simulazioni, condotte su una geometria semplice al variare delle condizioni al contorno, ha consentito di verificare i principali risultati teorici e di valutare le approssimazioni introdotte dalle formulazioni analitiche classiche. Successivamente l’attenzione è stata rivolta verso geometrie più complesse, come la capsula di rientro spaziale FIRE-II, un test-case ampiamente documentato e di riferimento nella letteratura sui flussi ipersonici. Tali simulazioni hanno permesso di analizzare il comportamento del flusso nel punto di ristagno e, attraverso uno studio parametrico sul raggio di curvatura, di valutarne la variazione del flusso termico incidente. L’elaborato fornisce quindi un approfondimento sugli effetti termochimici che caratterizzano il regime ipersonico, integrando gli aspetti teorici con le simulazioni numeriche, al fine di fornire una descrizione completa e coerente dei fenomeni che governano tali condizioni di flusso.

Hypersonic flows represent one of the major challenges that aerospace engineering will face in this century: reaching velocities greater than five times the speed of sound implies dealing with strong shock waves, a drastic rise in temperature, and complex chemical phenomena such as gas dissociation and ionization. In this thesis, these aspects are investigated both from a theoretical point of view and through computational fluid dynamics simulations performed using the software Hexagon Cradle CFD. An initial set of simulations, carried out on a simple geometry while varying the boundary conditions, made it possible to verify the main theoretical results and to assess the approximations inherent in classical analytical formulations. Subsequently, the focus shifted to more complex configurations, such as the FIRE-II re-entry capsule, a widely documented test case and a benchmark in the hypersonic-flow literature. These simulations enabled the analysis of the flow behavior in the stagnation region and, through a parametric study on the nose-radius curvature, the evaluation of the resulting variations in the heat flux. The thesis, therefore, provides an in-depth examination of the thermochemical effects characterizing the hypersonic regime, integrating theoretical analyses with numerical simulations in order to offer a comprehensive and coherent description of the governing physical phenomena.