Numerical development of a fully implicit density-based solver for hypersonic/high-enthalpy flows in OpenFOAM

As outlined in the AIAA CFD 2030 Grand Challenges, the development of robust and efficient fully coupled solvers represents a key objective for future CFD advancements in hypersonic simulations. This thesis presents a novel implicit density-based coupled solver, fully integrated within the OpenFOAM framework, to simulate high-speed viscous flows in the transonic, supersonic, and hypersonic regimes. The new implementation is based on an in-house scalar-LDU matrix formulation replacing the conventional block-LDU matrix approach, enabling a more efficient matrix assembly algorithm that outperforms conventional implementations. The solver development is supported by a comprehensive description of the underlying theoretical and numerical aspects governing high-speed flow simulations. The code has been verified and validated against well-established benchmark cases, demonstrating robustness, accuracy, and the capability to capture the complex physical features of transonic, supersonic, and hypersonic flow fields. The performance of the new Jacobian matrix computation algorithm is compared with the conventional matrix implementation to highlight the advantages of the new approach, showing a drastic reduction in computational time. Additionally, an extension of the solver to high-enthalpy reactive flow simulations is proposed, offering a generalization of the flux Jacobian operator, providing a consistent framework for incorporating advanced thermochemical models and laying the foundation for future developments in hypersonic and non-equilibrium flow simulations.

Come delineato dalla AIAA CFD 2030 Grand Challenges, lo sviluppo di solutori completamente accoppiati, robusti ed efficienti rappresenta un obiettivo chiave per i futuri progressi della fluidodinamica computazionale (CFD) in ambito di simulazioni ipersoniche. Questa tesi presenta un nuovo solutore implicito density-based, completamente integrato nel framework di OpenFOAM, per la simulazione di flussi viscosi ad elevata velocità nei regimi transonico, supersonico e ipersonico. La nuova implementazione si basa su una formulazione in-house di matrice LDU a scalari, che sostituisce il convenzionale approccio a blocchi, consentendo un algoritmo di assem- blaggio della matrice Jacobiana più efficiente e prestazioni superiori rispetto alle implementazioni tradizionali. Lo sviluppo del solutore è supportato da una descrizione approfondita degli aspetti teorici e numerici alla base delle simulazioni ad elevata velocità. Il codice è stato verificato e validato rispetto a casi test ampiamente con- solidati, dimostrando robustezza, accuratezza e la capacità di catturare le complesse caratteristiche fisiche dei campi di moto nei vari regimi. Le performance computazionali del nuovo algoritmo per il calcolo della matrice Jacobiana sono state confrontate con quelle dell’assemblaggio matrice convenzionale, in modo da evidenziare i vantaggi del nuovo approccio, mostrando una drastica riduzione del tempo computazionale. Inoltre, nella tesi, viene proposta un’estensione del solutore per simulazioni fluidodinamiche reagenti ad alta entalpia, presentando una generalizzazione dell’operatore Jacobiano dei flussi e fornendo un framework coerente per l’integrazione di modelli termochimici avanzati, ponendo così le basi per futuri sviluppi nell’ambito di simulazioni ipersoniche in condizioni di non-equilibrio termodinamico.