Thermal fluid-structure-interaction on a flat-plate model in hypersonic high-enthalpy flow

The focus of this degree thesis is the validation of a numerical environment for the coupled analysis of thermal protection systems and hot structures in interaction with a high-enthalpy hypersonic flowfield. The simulation of the thermal fluid-structure interaction on a ceramic flat-plate model was conducted by means of the TAU code developed at DLR for the calculation of the flowfield and with the commercial software ANSYS for the thermal response of the structure. The comparison with experimental results was achieved with tests in the high-enthalpy facility L3K of DLR in Cologne, which enables reaching a steady-state of the temperature distribution on the surface thanks to its rather long running-time. Coupled simulations were proved to more effectively reproduce the distributions of the thermal quantities on the surface of the concerned ceramic plate. Different flow models for the high-temperature gas and for the stream conditions were numerically investigated in order to understand their impact on the surface quantities, which was demonstrated to be generally not significant. The computations were shown to properly capture the temperature trend on the objective surface, but the temperature values were underpredicted. Because of that, further numerical investigations were performed in order to understand the impact of a full-catalytic surface and of an absolutely imperfect thermal contact between the components. In this way, a partially catalytic behaviour of the ceramics at such temperature levels and a non-perfect thermal contact between some structure parts were pointed out.

La tesi è incentrata sulla validazione di un ambiente numerico che permetta di svolgere accuratamente la simulazione accoppiata di sistemi di protezione termica e hot structures sottoposti a un flusso ipersonico ad alto contenuto entalpico. Il calcolo dell’interazione termica tra fluido e struttura riguardante una lastra piana in materiale ceramico è stato portato a termine per la parte fluidodinamica grazie al software TAU, sviluppato al DLR, e per mezzo del software commerciale ANSYS per quanto riguarda la parte strutturale. Il confronto con risultati sperimentali è stato reso possibile da prove svolte nella galleria al plasma L3K presso la sede del DLR di Colonia. La galleria permette il raggiungimento di condizioni stazionarie per la temperatura sulla superficie del modello, in quanto offre la possibilità di condurre test per tempi sufficientemente elevati. Le simulazioni che considerano l’accoppiamento si sono dimostrate più adatte per l’analisi dell’interazione fluido-struttura dal punto di vista termico rispetto a quelle non accoppiate. Si sono studiate differenti modellazioni per la corrente ipersonica, portando alla conclusione che l’effetto sulle variabili termiche presso la superficie del modello è poco significativo. Si è constatato che le simulazioni sono in grado di riprodurre efficacemente l’andamento della distribuzione di temperatura sulla superficie, ma i risultati delle computazioni si sono rivelati inferiori alle misure sperimentali. Per questo motivo ulteriori indagini numeriche sono state effettuate con lo scopo di individuare l’impatto di una completa cataliticità della superficie ceramica e di un eventuale contatto termico imperfetto tra le componenti del modello. Si è potuto così evidenziare il comportamento parzialmente catalitico della superficie impiegata a tali livelli di temperatura e l’influenza del contatto termico imperfetto tra alcune parti della struttura.