Adjoint-based sensitivity analysis for chemical non-equilibrium kinetics: application to O2 + O system

In hypersonic flows, thermochemical reactions occurring in high-temperature regimes e.g., in front of a spacecraft entering the atmosphere, significantly affect the heat exchange process occurring at the surface of the shield. The thesis studies the impact of the different reaction mechanisms, from dissociation to exchange and inelastic processes, on the evolution of a O2 + O chemical system at non-equilibrium in a 0D reactor at high temperatures, representative of shock-heated gas. This is achieved by performing a sensitivity analysis exploiting two different molecular internal models, referred to as the rovibrational State-to-State model, which allows an in-depth description of the internal energy levels of a diatomic molecule, and the Vibrational-Specific model, which represents a reduced order model accounting only for the molecule’s vibrational energy modes. In this thesis, the large number of reaction rates characterizing the target application re- quires the choice of an adjoint-based sensitivity analysis method. A FORTRAN code was developed to couple the thermochemical library PLATO and the ODEs solver suite SUNDIALS. This framework allows for the computation of the sensitivity of the reaction rates for three different objective functions: the global dissociation rate, a non-equilibrium index, and the relaxation of internal energy of O2 molecules. The results obtained offer a detailed insight into the impact of individual reaction coefficients on the various objective functions, providing an in-depth understanding of their role in the thermochemical evolution of the system

Nei flussi ipersonici, le reazioni termochimiche che avvengono in regime di alte temperature, come ad esempio nella parte anteriore dei sistemi di rientro atmosferici, influenzano significativamente il processo di scambio di calore che avviene con la superficie dello scudo termico. Il presente lavoro studia l’impatto che i diversi meccanismi di reazione, come la dissociazione e i processi di exchange e di excitation, hanno sull’evoluzione del sistema chimico O2 + O in condizioni di non-equilibrio all’interno di un reattore 0-dimensionale ad alta temperatura, rappresentativo della condizione di gas surriscaldato post-shock. Ciò viene realizzato mediante l’esecuzione di un’analisi di sensitività, sfruttando due modelli diversi per la descrizione della struttura interna molecolare, rispettivamente: Rovibrational State-to-State, che consente una descrizione approfondita dei livelli di energia interni della molecola diatomica, e Vibrational-Specific, un modello a ordine ridotto dove viene preso in considerazione solo il modo vibrazionale della molecola. L’alto numero di coefficienti di reazione relativo alla presente applicazione richiede la scelta di una tipologia di analisi di sensitività basato sul metodo dell’aggiunto. Abbiamo sviluppato un codice FORTRAN per accoppiare la libreria termochimica PLATO alla suite di risolutori di ODEs SUNDIALS. Tale struttura ci ha permesso di calcolare la sensitività dei coefficienti di reazione per tre diverse funzioni obiettivo: il coefficiente di dissociazione globale, un indice della condizione di non-equilibrio e l’energia interna della molecola O2. I risultati ottenuti offrono una visione dettagliata dell’impatto dei singoli coefficienti di reazione sulle diverse funzioni obiettivo, fornendo una comprensione approfondita del loro ruolo nell’evoluzione termochimica del sistema.