Análise aerotermodinâmica de escoamentos hipersônicos com aplicações para procedimentos de reentrada atmosférica

• Processo: 21/02705-8
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Data de Início da vigência: 01 de julho de 2021
• Data de Término da vigência: 31 de março de 2024
• Área de conhecimento: Engenharias - Engenharia Aeroespacial - Aerodinâmica
• Pesquisador responsável: João Luiz Filgueiras de Azevedo
• Beneficiário: Farney Coutinho Moreira
• Instituição Sede: Pró-Reitoria de Pós-Graduação e Pesquisa. Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA). Ministério da Defesa (Brasil). São José dos Campos , SP, Brasil
• Vinculado ao auxílio: 13/07375-0 - CeMEAI - Centro de Ciências Matemáticas Aplicadas à Indústria, AP.CEPID
• Bolsa(s) vinculada(s): 22/07604-8 - Um estudo dos efeitos da radiação térmica e da viscosidade volumétrica em escoamentos reativos hipersônicos, BE.EP.PD
• Assunto(s): Dinâmica dos fluidos computacional Termodinâmica Escoamento hipersônico Escoamentos reativos
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Dinâmica dos Fluidos Computacional | Escoamentos hipersônicos | Escoamentos reativos | Não-Equilíbrio Termodinâmico | Reentrada Atmosférica | Reentrada Atmosférica

Resumo

Neste projeto, iremos investigar escoamentos hipersônicos incluindo efeitos de não-equilíbrio termodinâmico e reações químicas de dissociação e ionização na distribuição do fluxo de calor na superfície de cápsulas de reentrada. Durante o procedimento de reentrada atmosférica, fortes ondas de choque são formadas ao redor do veículo, aumentando a conversão da energia cinética do gás em energia térmica que, por sua vez, é transferida para a superfície do veículo como calor. A reentrada atmosférica envolve misturas de gases em alta temperatura e efeitos de dissociação subsequentes das moléculas de gás. Dependendo da temperatura, a ionização dos componentes moleculares ou atômicos presentes na mistura também pode ocorrer. Além disso, a excitação dos modos de energia internos das moléculas certamente ocorrerá, levando a uma condição de não-equilíbrio termodinâmico. A previsão precisa dos efeitos de dissociação e ionização em simulações numéricas de escoamentos hipersônicos é de extrema importância para o cálculo do fluxo de calor sobre a superfície de espaçonaves e satélites. Vários aspectos dos escoamentos hipersônicos que envolvem reentrada atmosférica permanecem abertos na literatura. Em termos de física do escoamento, o papel do coeficiente de viscosidade volumétrica não é totalmente compreendido. A maioria dos estudos dedicados à modelagem numérica de escoamentos de gases viscosos leva em consideração apenas o coeficiente de viscosidade por cisalhamento, enquanto a viscosidade volumétrica é geralmente desprezada. Levar em consideração a viscosidade volumétrica nas equações de escoamento resulta em uma variação mutuamente relacionada de temperatura, concentração da mistura de gás, espessura da camada de choque e estrutura da onda de choque, com todos os parâmetros afetando o estado de não-equilíbrio termodinâmico. O acoplamento entre radiação térmica e efeitos convectivos também é um tópico de pesquisa atual. Os veículos hipersônicos que reentram na atmosfera da Terra levam a escoamentos com espécies de ar dissociadas. Essas condições normalmente existem por trás das fortes ondas de choque que aumentam substancialmente a temperatura do gás e afetam os problemas operacionais de voo relacionados ao sistema de proteção térmica. Além disso, em casos de números Mach mais extremos, a ionização ocorre e afeta as comunicações de radar. Em tais casos, a radiação tem um papel importante na geração de cargas térmicas adicionais para a superfície do veículo com contribuições de até 18% do calor convectivo. Finalmente, aspectos numéricos de simulações de escoamento hipersônico também permanecem em aberto na literatura, por exemplo, aqueles com relação aos requisitos de resolução de malha. Embora estudos recentes tenham discutido sobre tais requisitos para fluxos inertes de alta velocidade, os requisitos de malha não são totalmente compreendidos em simulações de escoamentos reativos. (AU)

Publicações científicas

(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)

MOREIRA, FARNEY COUTINHO; WOLF, WILLIAM ROBERTO; AZEVEDO, JOAO LUIZ F.. Thermal analysis of hypersonic reactive flows on the SARA Brazilian satellite reentry trajectory. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, v. 44, n. 1, JAN 2022. (13/08293-7, 21/02705-8, 13/07375-0)