Development of a Lagrangian solver for thermochemical nonequilibrium flows

In this work, a Lagrangian solver for nonequilibrium reacting flows is developed. The solver acts as a multi-temperatures chemical reactor following a fluid particle along pre-computed streamlines, integrating the governing equations with initial conditions picked from the first point of the streamline.The result is obtained in terms of temperatures and mass fractions of chemical species. The developed Lagrangian reactor might be used to refine a previous rough numerical computation, introducing more sophisticated chemical mechanisms and optionally thermal nonequilibrium. The Lagrangian solver is applied to the study of thermochemical relaxation past a 1D shock, to hypersonic argon flows over a cylinder at various degrees of rarefaction and to the problem of computing the recombination of free electrons in the trail of a meteoroid entering the Earth's atmosphere at hypersonic velocities.

Il presente lavoro tratta lo sviluppo di un solutore Lagrangiano per correnti fuori equilibrio termico e chimico. Data una streamline proveniente da un calcolo eseguito tramite qualsivoglia metodo numerico, il solutore si comporta come un reattore chimico che integra le equazioni di governo seguendo la particella fluida. Le condizioni iniziali per l'integrazione vengono prese dal punto iniziale della streamline e la soluzione è fornita in termini di temperature e frazioni massiche delle specie chimiche. Il solutore sviluppato può essere utilizzato per raffinare una precedente simulazione numerica semplificata, introducendo meccanismi chimici più elaborati ed opzionalmente nonequilibrio termico. Nel presente lavoro, il solutore Lagrangiano viene applicato ad alcuni casi test: lo studio del rilassamento termochimico nella regione post-shock di un'urto normale, una corrente ipersonica di argon attorno ad un cilindro a vari gradi di rarefazione ed infine al calcolo della ricombinazione di elettroni liberi nella scia di un meteorite durante il suo ingresso atmosferico a velocità ipersonica.