Validazione di un codice immersed boundary su corpi assialsimmetrici in regime ipersonico = Validation of an immersed boundary code on axisymmetric bodies in hypersonic regime

La tesi prevede una fase iniziale di studio di un codice CFD immersed boundary sviluppato dalla Optimad engineering srl, allo scopo di capirne la struttura e le modalità di utilizzo. Il secondo step consiste nell'estensione al caso assialsimmetrico a partire da quello bidimensionale: la trattazione coinvolge la variazione delle equazioni di governo e della formulazione ai volumi finiti derivante, da cui si deducono le modifiche da apportare al codice considerato ed alcuni accorgimenti significativi. Le operazioni fin qui effettuate vengono validate mediante l'uso di un caso test a basso numero di Reynolds, corrispondente al flusso assialsimmetrico completamente sviluppato all'interno di un tubo: è necessario imporre il profilo di velocità di Poiseuille sia come condizione iniziale sia come condizione in ingresso e ciò richiede un'ulteriore modifica del codice in esame. Il terzo step introduce il regime ipersonico e le sue caratteristiche principali al fine di presentare il caso test impiegato per la validazione del codice immersed boundary su corpi assialsimmetrici in regime ipersonico, che rappresenta l'obiettivo principale della tesi. Si sceglie di replicare una prova sperimentale condotta nella galleria del vento a bassa densità R5Ch dell'ONERA su una configurazione di hollow cylinder/flare a temperature relativamente basse in modo tale da non dover considerare gli effetti derivanti dal disequilibrio chimico e vibrazionale. Vengono descritti sia il setup sperimentale sia quello interno al codice e la fase di Post Processing prevede un'analisi qualitativa dei campi scalari delle grandezze fondamentali ed una quantitativa di alcuni parametri adimensionali, mediante il confronto con altri dati numerici nonché sperimentali. Il caso test in oggetto è particolarmente significativo poiché consente di studiare dei fenomeni tipici del regime ipersonico, quali la nascita di onde d'urto, l'interazione tra le stesse e l'evoluzione nel tempo di una bolla di separazione. La soluzione del caso è fortemente dipendente dalla griglia e, di conseguenza, si riporta un confronto aggiuntivo tra una mesh statica ed una adattativa, evidenziando i limiti di quest'ultima. A completamento di quanto fatto, si è scelto di replicare un'ulteriore prova sperimentale condotta all'ONERA e anche dalla NASA, la quale riguarda il flusso ipersonico attorno ad uno 25°/65° sharp double cone. Esso consente di mettere in evidenza la criticità degli spigoli per i metodi immersed boundary e l'uso che segue del CFL (Courant–Friedrichs–Lewy) allo scopo di risolvere il problema. L'ultimo step è focalizzato sul disequilibrio chimico e vibrazionale: una collaborazione con il Prof. D'Ambrosio ha permesso di impostare la struttura base di un codice Fortran, allo scopo di verificarne un altro scritto in C++, utile al calcolo dei termini sorgente per le equazioni di conservazione aggiuntive, in un caso non viscoso. Si desidera precisare che tale parte non è inserita nella tesi in oggetto, ma può essere il punto di partenza per un nuovo lavoro volto all'implementazione di fenomeni di alta temperatura nel codice CFD studiato e modificato.