Simulação direta molecular da influência de degraus na superfície de veículos na reentrada

• Ano de defesa: 2009
• Autor(a) principal: Paulo Henrique Mineiro Leite
• Orientador(a): Wilson Fernando Nogueira dos Santos
• Banca de defesa: Jerônimo dos Santos Travelho, José Pessoa Filho
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Propulsão e Combustão
• País: BR
• Resumo em Inglês: In the design of a hypersonic vehicle, the knowledge of the factors that affect the thermal and aerodynamic loads acting on the vehicle surface becomes imperative. U sually, in the calculations of the thermalload, the analysis assumes that the vehiele has a smooth surface. However, discontinuities, such as steps, are present on reentry vehicle surfaces for different purposes. In this scenario, a numerical study is performed in order to examine the impact of forward-facing and backward-facing steps on the flowfield structure and on the aerodynamic surface quantities for a reentry vehicle at rarefied hypersonic flow conditions. The calculations are performed with a detailed computer co de that properly accounts for non-equilibrium effects aud that has been demonstrated to yield excellent comparisons with flight- and ground-test data. A very detailed description of the impact on the flow properties velocity, density, pressure, and temperature - as well as on the aerodynamic surface properties - number flux, heat transfer, pressure, and skin friction - has been presented separately upstream, at the vicinity, and downstream of the forward-facing and backward-facing steps due to changes on their face height. The analysis showed that the forward-facing step disturbed the flowfield far upstream, where the domain of influence increased with the face-height rise. It was found that the recirculation region at the vicinity of the forward-facing step affected the aerodynamic surface properties not only on the surface upstream the step but also on the frontal face of the step. For the backward-facing step case, no upstream disturbances were observed along the surface. Nevertheless, due to the separation flow at the comer of the step, a recirculation region was fonned behind the rear face. As a result, the flowfield properties and the aerodynamic surface properties were affected.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m18@80/2009/08.27.17.55

No projeto de veículos hipersônicos, o conhecimento dos fatores que afetam as cargas térmicas e aerodinâmicas que agem na superfície do veículo se torna imperativo. Usualmente, no cálculo das cargas térmicas, a análise assume que o veículo possui um contorno livre de imperfeições. No entanto, descontinuidades estão presentes na superfície de veículos na reentrada visando atender diferentes propósitos. Neste cenário, um estudo numérico é realizado com o propósito de examinar o impacto de degraus com faces a montante e a jusante na estrutura do escoamento e nas propriedades aerodinâmicas na superfície de veículos na reentrada, sob condições de escoamento hipersônico rarefeito. Os cálculos foram realizados com um código computacional robusto que leva em conta os efeitos de não-equilíbrio, e que tem apresentado excelentes resultados quando comparados com dados de testes em vôo e de testes em laboratório. Uma descrição detalhada do impacto nas propriedades do escoamento - velocidade, massa específica, pressão e temperatura - bem como nas propriedades aerodinâmicas na superfície - fluxo de moléculas, transferência de calor, pressão e atrito - é apresentada separadamente para seções a montante, nas vizinhanças e a jusante dos degraus, devido as variações na altura da face. A análise mostrou que o degrau com face a montante afetou o escoamento bem a montante, onde o domínio deste efeito aumentou com o aumento da altura da face do degrau. A análise mostrou, também, que a região de recirculação nas vizinhanças do degrau com face a montante afetou as propriedades aerodinâmicas não somente na superfície a montante do degrau mas também na face frontal. Para o caso de um degrau com face a jusante, nenhum efeito a montante foi observado ao longo superfície superior. Todavia, devido a separação do escoamento na quina do degrau, uma região de recirculação se formou atrás da face do degrau. Como resultado, as propriedades do escoamento e as propriedades aerodinâmicas na superfície foram afetadas.