Simulations of planetary entry in OpenFOAM

In order to be able to design re-entry vehicles there is the need for a reliable and efficient tool to solve the equations behind the fluid-spacecraft interactions. The thesis presents this topic by considering two main aspects: the efficient solution of the governing equations and the analysis of the physical phenomena behind high-enthalpy hypersonic flows. The efficient solution of the fluid dynamics is achieved using an implicit density based coupled solver. This solution method consists in solving the three Navier-Stokes equations at the same time in a single linear system. This results in robustness, stability and a reduced number of iterations required to reach convergence when this kind of solution approach is applied compared to segregated codes. The simulation of hypersonic flows introduces the need for a code capable of dealing with thermal and chemical non-equilibrium flows. In particular, the thesis presents the so called two-temperatures model for non-equilibrium flows. Such model is able to capture the physics of high enthalpy reacting air, by solving an additional conservation equation for the vibrational degree of freedom of the molecules, and taking into account the chemical reactions which occur at hypersonic regimes. To conclude, the thesis presents a validation of the coupled solver for the simulation of hypersonic flows.

Per poter progettare veicoli di rientro è necessario disporre di uno strumento affidabile ed efficiente per risolvere le equazioni che governano le interazioni tra il flusso d'aria e il veicolo spaziale. La tesi affronta questo argomento considerando due aspetti principali: la soluzione efficiente delle equazioni di governo e l'analisi dei fenomeni fisici alla base dei flussi ipersonici ad alta entalpia. La fluidodinamica viene risolta utilizzando un risolutore density-based implicito che risolve le equazioni in modo accoppiato. Questo metodo consiste nel risolvere simultaneamente le tre equazioni di Navier-Stokes in un unico sistema lineare. Ciò comporta robustezza, stabilità e una riduzione del numero di iterazioni necessarie per raggiungere convergenza rispetto ai codici segregati. La simulazione dei flussi ipersonici richiede inoltre un codice in grado di trattare flussi in non-equilibrio termico e chimico. In particolare, la tesi presenta il cosiddetto modello a due temperature per i flussi in non-equilibrio. Questo modello è in grado di catturare la fisica dell'aria reagente ad alta entalpia, risolvendo un'ulteriore equazione di conservazione per il grado di libertà vibrazionale delle molecole, e tenendo conto delle reazioni chimiche che si verificano in regime ipersonico. Infine, la tesi presenta una validazione del risolutore accoppiato per la simulazione di flussi ipersonici.