Numerical modeling of thermochemical non-equilibrium effects in hypersonic flows using OpenFOAM

Hypersonic flight is experiencing renewed interest in the aerospace sector, due to its potential advantages. However, several critical issues and flow peculiarities challenge the capabilities of conventional CFD tools in predicting it. Re-entry capsules, in fact, are subjected to high-enthalpy flows, leading to the formation of an extremely strong detached bow shock, followed by a thin viscous reacting shock layer. Under such extreme conditions, thermochemical nonequilibrium effects become significant. Thus, accurate modeling of high-temperature gas effects, vibration-chemistry coupling, dissociation and ionization phenomena is essential for high-speed vehicle design. The present work aims to extend an existing compressible flow solver within the open-source CFD software OpenFOAM by implementing a thermochemical nonequilibrium modeling framework to reliably perform hypersonic numerical simulations. Initially, high-temperature gas effects are incorporated through the implementation and validation of Rigid-Rotor Harmonic-Oscillator (RRHO) and Gupta-Yos models. Subsequently, the solver is enhanced to support a two-temperature approach based on vibrational-translational energy decoupling and the Park two-temperature (2T) model for chemistry-vibration coupling and finite rate chemical kinetics. The inter-exchange of energies is accounted for by means of Landau-Teller theory, with relaxation times evaluated using Millikan-White systematics and Park high-T correction. Lastly, both preferential and non-preferential dissociation approaches are included for vibrational energy loss. The validation is first conducted on a series of zero-dimensional heat bath cases, followed by a one-dimensional shock tube configuration. At last, a two-dimensional hypersonic realistic scenario is considered. The numerical results show very good agreement with the reference data available in the literature, thus confirming the correct implementation of the proposed framework. In particular, both thermodynamics and chemistry modules, as well as their mutual coupling, are accurately reproduced across different temperatures ranges and air models. The present work, therefore, establishes a solid foundation for future developments towards more complex hypersonic configurations.

Il volo ipersonico è oggetto di rinnovato interesse nel settore aerospaziale, grazie ai suoi potenziali vantaggi. Tuttavia, diverse criticità e peculiarità pongono significative sfide alle capacità predittive degli strumenti CFD convenzionali. Le capsule di rientro, infatti, sono soggette a flussi ad alta entalpia, formando un’onda d’urto estremamente intensa, seguita da un sottile strato viscoso e reagente. In tali condizioni estreme, gli effetti di non equilibrio termochimico diventano significativi. Pertanto, una modellazione accurata degli effetti dei gas ad alta temperatura, dell’accoppiamento vibrazione-chimica e dei fenomeni dissociativi è essenziale per la progettazione di veicoli ipersonici. Il presente lavoro mira ad estendere un solutore per flussi comprimibili esistente all’interno del software CFD open-source OpenFOAM, mediante l’implementazione di un modello di non equilibrio termochimico. Inizialmente, gli effetti dei gas ad alta temperatura sono incorporati attraverso l’implementazione e la validazione dei modelli di Oscillatore Armonico Rotatore Rigido (RRHO) e di Gupta-Yos. Successivamente, il solutore è potenziato per supportare un approccio a due temperature basato sul disaccoppiamento dell’energia vibrazionale-traslazionale e sul modello due temperature (2T) di Park per l’accoppiamento chimica-vibrazione e la cinetica chimica. L’inter-scambio di energie è incluso mediante la teoria di Landau-Teller, con tempi di rilassamento valutati utilizzando le correlazioni di Millikan-White e la correzione di Park. Infine, sono implementati approcci di dissociazione preferenziale e non preferenziale per valutare la perdita di energia vibrazionale. La validazione è inizialmente condotta su una serie di casi adiabatici zero-dimensionali, seguita da una configurazione unidimensionale di tubo d’urto. Infine, viene considerato un caso realistico ipersonico bidimensionale. I risultati numerici mostrano un ottimo allineamento con i dati di riferimento disponibili in letteratura, confermando così la corretta implementazione della metodologia proposta. In particolare, sia i moduli di termodinamica sia quelli di chimica, così come il loro reciproco accoppiamento, sono riprodotti accuratamente su diversi intervalli di temperatura e modelli di aria. Il presente lavoro, pertanto, costituisce una solida base per sviluppi futuri verso configurazioni più complesse.