DESCRIZIONE GENERALE
Il Laboratorio Teorico-Numerico di Aerotermodinamica e Combustione svolge attività di sviluppo e validazione di codici di calcolo per la simulazione di miscele di gas reagenti, che non si comportano quindi come gas perfetti, ma si dissociano e ionizzano a causa delle elevate temperature. Una delle applicazioni tipiche cui sono rivolti tali codici è l’analisi di velivoli o capsule spaziali che si muovono a velocità molto elevate (Mach > 6) nell’atmosfera terrestre o di altri pianeti. Un’altra applicazione tipica è l’analisi dei fenomeni di combustione che avvengono in razzi a combustibile liquido o in propulsori scramjet.
TEMATICHE PRINCIPALI
Aerotermodinamica di miscele reagenti
Una delle problematiche fondamentali nella progettazione di un velivolo spaziale è la corretta determinazione dei carichi aerodinamici e termici; alle elevate velocità tipiche di un rientro atmosferico o di un velivolo in volo ipersonico, tale valutazione non può prescindere dalla simulazione dei fenomeni di dissociazione e ionizzazione che si verificano a causa delle elevate temperature. Per aerotermodinamica di miscele reagenti si intende pertanto la simulazione di flussi iperentalpici in condizioni di nonequilibrio termocinetico, sia per l’aria che per atmosfere di altri pianeti.
Combustione
Il laboratorio si occupa dello sviluppo e validazione di codici di calcolo per la simulazione di fenomeni di combustione, sia all’interno di razzi a propellente liquido (Lox-Hc) che in scramjet. Rispetto al caso in cui si utilizzi come miscela l’aria, nel caso della combustione i modelli chimici sono tipicamente più complessi e prevedono un maggior numero di reazioni e di specie chimiche. L’utilizzo di modelli di cinetica chimica dettagliati è fondamentale per la corretta modellizzazione dell’accensione, necessaria per la previsione delle prestazioni dei motori. Di contro modelli chimici così complessi sono troppo onerosi dal punto di vista computazionale; pertanto è necessario ricercare dei modelli ridotti, che possano comunque rappresentare bene il fenomeno dell’accensione in intervalli di temperatura e pressione definiti caso per caso.
CAPACITÀ & COMPETENZE PRIMARIE
• Strumenti ed algoritmi numerici per la simulazione di miscele reagenti
• Modelli fisici per l’aria
• Modelli di combustione per miscele Lox-HC
• Modelli di combustione per scramjet (possibile fonderla con la precedente)
• Simulazione flussi in regime transizionale o rarefatto.
• Accoppiamento campo fluidodinamico / campo magnetico (MFD).
• Accoppiamento termico fluido / struttura.
• Modellistica per la radiazione.
STRUMENTI
SW Proprietari
• Flussi aria comprimibile: H3NS, H2NS
• Flussi combustione comprimibile: C3NS
SW Commerciali o non proprietari
• Generazione di griglie di calcolo: ICEM-CFD HEXA
• Analisi di miscele reagenti per la combustione: Kiva
• Analisi di flussi rarefatti: DS3V, DS2V
• Visualizzazione : Tecplot
SERVIZI EROGABILI
• Strumenti per l’aerotermodinamica: supporto all’analisi e upgrade strumenti per esigenze specifiche.
• Strumenti per la combustione: supporto all’analisi e upgrade strumenti per esigenze specifiche.
• Applicazioni finalizzate alla validazione degli strumenti di calcolo
ALCUNE APPLICAZIONI
• Analisi e implementazione modelli avanzati per l’aerotermodinamica (CAST).
• Test in Scirocco per la validazione di H3NS (CLAE).
• Analisi e implementazione modelli per la combustione (LAPCAT1).
PROGETTI IN CORSO
• CAST: fin. ASI. Il programma è finalizzato alla realizzazione e validazione di un software avanzato per la simulazione di flussi di aria in non equilibrio cinetico per applicazioni aerospaziali. Sono inclusi in particolare modelli termocinetici stato a stato, modelli di turbolenza LES e schemi per l’analisi dell’interazione fra campo fluidodinamico e campo elettromagnetico. Sono previsti alcuni test sperimentali progettati specificamente per la validazione del codice.
• CLAE: fin. PRORA. L’obiettivo generale del progetto è di migliorare la capacità del CIRA nella determinazione dei carichi aerotermodinamici su un velivolo di rientro; a tale scopo, da un lato vengono sviluppati o acquisiti strumenti adeguati per la simulazione di campi aerotermodinamici su geometrie complesse, sia in regime continuo che rarefatto (alte quote); dall’altro lato vengono affrontate e approfondite, sia numericamente che sperimentalmente, due tematiche specifiche che hanno un impatto molto rilevante nella progettazione: l’interazione urto-strato limite (SWBLI) e la transizione da regime laminare a turbolento.
• MHD_AFC: fin. ESA. Scopo dell’attività è di progettare e realizzare un esperimento nel Plasma Wind Tunnel Scirocco, tale da realizzare una significativa interazione fra campo fluidodinamico e il campo magnetico generato da un elettromagnete incluso nel modello. I dati sperimentali saranno quindi utilizzati per la validazione del codice di calcolo.
• Expert Sistem: fin. TAS-I. Nell’ambito del programma Expert il CIRA è responsabile della definizione del database aerodinamico e aerotermodinamico della capsula; simulazioni numeriche e dati sperimentali disponibili dai vari partner del programma vengono analizzati e sintetizzati, per poi essere forniti al “prime contractor” TAS-I con l’indicazione delle tolleranze ritenute applicabili.
• Expert Payload: fin. ESA. Nell’ambito del programma Expert il CIRA ha proposto alcuni esperimenti che saranno installati a bordo della capsula e forniranno dati utili per la validazione dei codici di calcolo di aerotermodinamica. Due di questi esperimenti coinvolgono in particolare il laboratorio ATCO: il primo è dedicato alla comprensione del fenomeno di interazione urto-strato limite in corrispondenza dei flap, mentre il secondo è finalizzato alla stima della transizione da regime laminare a turbolento lungo la traiettoria di rientro.
• BLAST: fin. TAS-I. Nell’ambito del progetto, il laboratorio calcola determina i carichi termici su una capsula il cui scopo è di effettuare un rientro dall’orbita lunare ad una velocità superiore ai 10 km/sec; nello studio è inclusa la stima degli effetti della radiazione, significativi a tali velocità.
• LAPCAT II: fin. EU 7thFP. Il programma LAPCAT II, di cui ESA/ESTEC è ente coordinatore, rientra nel FP7/Transport (including aeronautics) della Comunità Europea. L'attività ha la durata di 4 anni ed è basata sullo studio di due concetti di trasporto suborbitale ad alta velocità con propulsione a ciclo combinato (M=5 e M=8). Il Laboratorio SPAP coordina il WP6 – Combustion Modelling and Environmental Chemistry, e contribuisce alla modellistica chimico-fisica della combustione ad alta velocità, alle strategie di riduzione degli inquinanti, alla progettazione di dettaglio delle configurazioni a M=5 e M=8, ed alla verifica numerico-sperimentale degli aspetti aerotermodinamici delle configurazioni analizzate.
CUSTOMER & PARTNERS
• ESA (European Space Agency)
• ASI (Agenzia Spaziale Italiana)
• TAS-I (Thales Alenia Space – Italy)
• Alta Space
• Università di Napoli (Dip. di Ingegneria Aerospaziale - DIAS)
• Università di Bologna (Dip. di Ingegneria Elettrica)
• Università di Roma (Dip. di Ingegneria Meccanica e Aeronautica - DMA)
• Politecnico di Torino (Dip. di Ingegneria Aeronautica e Spaziale – DIASP)
• Università di Bari (Dip. di Chimica)
• CNR di Bari (Ist. IMIP)
Contatto
Antonio Schettino
Tel. +39 0823 623327
Fax +39 0823 623700
email: a.schettino@cira.it
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