Anisotropic metric based adaptation for space debris hypersonic re-entry

The topic of space debris and its re-entry into the atmosphere is highly current. Predicting their trajectory and whether they will not be completely destroyed by friction is necessary to classify their hazards. The DSMCFED project, conducted by the Von Karman Institute for Fluid Dynamics, aims to develop an approach for simulating the complete re-entry phase of these objects. The evaluation of aerothermodynamic loads is up to Computational Fluid Dynamics (CFD), which must be embedded within an automated workflow that requires continuous simulations with respect to different conditions. To do this, it is necessary to avoid one of the biggest bottlenecks in CFD, which is the mesh generation process. Anisotropic metric-based adaptation has been recognised as a method to overcome this problem. Such a strategy makes it possible to create triangular meshes that autonomously adapt to the flow features. This work aims to create a tool based on this approach by combining the capabilities of Eilmer, a software specialised in hypersonic problems, and refine, a NASA program capable of handling those adaptations. While numerous applications in ideal cases exist, the same cannot be said for viscous flows. For this reason, real problems such as shock wave boundary layer interaction, separations, geometric singularities and rounded geometries have been objects of study, going to check how the tool behaves in these situations. In addition, the possible use of hybrid meshes is included in the work to overcome some known problems between very strong shocks and fully triangular meshes. What resulted are discretizations capable of capturing all the peculiarities of hypersonic flows with fewer elements with respect to more traditional approaches. The accuracy of the results is highly dependent on the features present in the flow, which in some cases makes the use of hybrid meshes practically forced.

Il tema dei rifiuti spaziali e del loro rientro in atmosfera è fortemente attuale. Predire la loro traiettoria e l'eventualità che non risultino completamente distrutti a causa dell'attrito, è necessario per classificarne la loro pericolosità. A questo scopo, il progetto DSMCFED del Von Karman Institute for Fluid Dynamics, mira alla creazione di una metodologia per simulare l'intera fase di rientro di tali oggetti. Il calcolo dei carichi aerotermodinamici spetta alla fluidodinamica computazionale (CFD), che necessita di essere inserita all'interno di un processo automatico che richiede continue simulazioni rispetto a diverse condizioni. Per farlo è necessario evitare uno dei colli di bottiglia più grandi di questi lavori, ossia la generazione di una griglia di calcolo. L'Anisotropic Metric Based Adaptation è stato riconosciuto come metodo per ovviare a questo problema. Tale strategia permette infatti di creare griglie triangolari che si adattino alle caratteristiche del flusso in modo autonomo. Questo lavoro vuole quindi creare uno strumento basato su questo approccio combinando le potenzialità di Eilmer, un applicativo specializzato in problemi ipersonici, e refine, un programma della NASA capace di gestire gli adattamenti. Se esistono diverse applicazioni a casi ideali, non può essere detto lo stesso per flussi viscosi. Per questo motivo problemi come l’interazione tra onde d’urto e strati limite, separazioni, singolarità geometriche e geometrie non lineari, sono stati oggetti di studio, andando a controllare come il programma sviluppato si comporta in queste situazioni. Inoltre, il possibile utilizzo di griglie ibride è stato incluso nel lavoro per ovviare ad alcuni noti problemi tra onde d’urto molto forti e griglie completamente triangolari. Ciò che ne è risultato sono discretizzazioni capaci di catturare tutte le caratteristiche dei flussi ipersonici, con un numero inferiore di elementi rispetto ad approcci più tradizionali. La precisione dei risultati è però fortemente dipendente dalle peculiarità presenti nel flusso che, in alcuni casi, rende praticamente costretto l’uso di griglie ibdride.