Numerical investigation of aerothermodynamic in a reentry vehicle with surface discontinuity-like cavity

• Ano de defesa: 2010
• Autor(a) principal: Rodrigo Cassineli Palharini
• Orientador(a): Wilson Fernando Nogueira dos Santos
• Banca de defesa: Marcio Teixeira de Mendonça, Algacyr Morgenstern Júnior
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• 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 hypersonic vehicles, the knowledge of factors that affects the thermal and aerodynamic loads acting on the vehicle surface becomes imperative. Usually, in the thermal load calculations, the analysis assumes that the vehicle has a smooth surface. However, discontinuities or imperfections are present on the surface of reentry vehicles. In this scenario, a numerical study was performed with the purpose to examine the impact of cavities on the flowfield structure and on the aerodynamic properties on the reentry vehicle surfaces, under conditions of rarefied hypersonic flow. The calculations were performed with a robust computer code that takes into account for the effects of thermodynamic non-equilibrium. A detailed description of the impact on the flowfield properties - velocity, density, pressure and temperature - as well as the aerodynamic properties on the surface - number flux, heat transfer, pressure and skin friction - is presented at the vicinity of the cavities due to variations in the width-to-depth (\textit{L /H}) ratio. The analysis showed that the recirculation region inside the cavities is a function of the \textit{L /H} ratio. It was found that, for \textit{L /H} < 3, the cavity flow structure represented that one observed in a "open cavity". Conversely, for \textit{L /H} = 4, the cavity flow structure corresponded to that of a "closed cavity". In contrast, for the aerodynamic quantities acting on the cavity surface, it was found that the pressure load and the heat load presented the maximum values along the cavity downstream faces, more precisely, at the shoulder of the cavities. In addition, these loads are much larger than those attained in a smooth surface.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m19/2010/10.07.02.39

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 uma superfície livre de imperfeições ou descontinuidades. No entanto, imperfeições ou 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 cavidades na estrutura do escoamento e nas propriedades aerodinâmicas na superfície de veículos na reentrada, sob condições de escoamento hipersônico rarefeito. A análise foi realizada por um código computacional robusto que leva em conta os efeitos de não-equilíbrio térmico. 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 para seções nas vizinhanças das cavidades devido as variações na razão largura-profundidade (\textit{L /H}). A analise mostrou que as recirculações dentro das cavidades são funções da razão \textit{L /H}. Nos casos onde \textit{L /H} < 3, a estrutura do escoamento sobre as cavidades representa aquela observada para "open cavity". Entretanto, para o caso onde \textit{L /H} = 4, a estrutura do escoamento corresponde a uma "closed cavity". As propriedade aerodinâmicas também foram apresentadas e os maiores valores foram obtidos para a face a montante da cavidade, mais precisamente, na quina das cavidades. A análise mostrou, também, que as cargas aerodinâmicas obtidas são muito maiores a aquelas observadas para uma superfície livre de discontinuidades.