ATDTEC - TECnologie per l’AeroTermoDinamica
Obiettivo
L'aerotermodinamica è una disciplina essenziale ai fini della progettazione di velivoli ipersonici, di capsule o navette spaziali per il rientro nell'atmosfera terrestre, nonché di capsule per missioni interplanetarie. La complessità e il costo della sperimentazione a terra e in volo rendono necessario, nell'ambito di questi progetti, l'uso sistematico della fluidodinamica computazionale per la generazione del database aerodinamico e aerotermodinamico dei suddetti velivoli o capsule. La CFD consente inoltre lo studio di fenomenologie locali complesse, spesso difficilmente riproducibili in galleria.
Il CIRA ha una lunga tradizione nello sviluppo di codici CFD per l'aerotermodinamica, a partire dall'inizio degli anni '90, ed è coinvolto in numerosi progetti nazionali ed internazionali che richiedono questo tipo di competenza. La più recente versione della famiglia di codici di calcolo sviluppati al CIRA è denominata NExT, ed ha la capacità di risolvere sia problemi di aerodinamica e aerotermodinamica, in particolare per alte velocità, sia problemi di combustione per applicazioni aerospaziali.
In questo quadro, l'obiettivo generale del progetto ATDTEC è di sviluppare modelli e metodologie numeriche nell'ambito dell'aerotermodinamica, e più in generale di sviluppare competenze allo stato dell'arte in questo settore. Il progetto prevede 5 pacchi di lavoro associati allo sviluppo di altrettante tecnologie numeriche, di seguito brevemente descritte.
Attività nel progetto CIRA
Transizione laminare-turbolento in regime ipersonico: la predizione della transizione da regime laminare a turbolento è cruciale nella progettazione di un velivolo ipersonico, sia per una corretta stima dei coefficienti aerodinamici, sia perché la transizione provoca un significativo incremento del flusso termico sulla superficie. Ci si pone quindi l'obiettivo di analizzare e validare diversi modelli proposti in bibliografia, basati su equazioni aggiuntive che sono implementabili in un codice CFD. Sono attualmente in corso attività di validazione utilizzando il codice commerciale Fluent. Successivamente sarà effettuata una scelta delle metodologie più appropriate, che saranno quindi implementate anche nel solutore NExT.
Radiazione: la radiazione è un fenomeno che ha un effetto molto significativo sul flusso termico su capsule provenienti da missioni interplanetarie, caratterizzate da velocità di rientro nell'atmosfera particolarmente elevate. Nell'ambito di un precedente progetto è stato già sviluppato un modulo per il calcolo della radiazione basato sul modello DTRM (Discrete Transfer Radiation Model). Nell'ambito del presente progetto ci si propone l'obiettivo di sviluppare un modello alternativo, più semplice e robusto, al fine di poterlo utilizzare anche in applicazioni di tipo industriale.
Accoppiamento fluido-strutture: in regime ipersonico è importante avere la capacità di tenere in conto in maniera instazionaria l'accoppiamento termico fra il fluido e la struttura, al fine di calcolare l'evoluzione della temperatura della struttura stessa, ad esempio durante una missione di rientro. Tale accoppiamento è essenziale in particolare nel caso di materiali ablativi. Inoltre in alcuni casi la struttura può essere soggetta a deformazioni, anche periodiche, come accade ad esempio per strutture gonfiabili o “deployable". Nel presente progetto sono pertanto analizzate ed implementate metodologie che consentono di realizzare tale accoppiamento, partendo da quelle già sviluppate per le basse velocità nell'ambito del progetto FLEXCFD.
Regime rarefatto: La capacità di effettuare delle stime anche in regime rarefatto o transizionale (rarefazione incipiente) è fondamentale nelle prime fasi del rientro atmosferico, per quote superiori ai 70/80 km. Nell'ambito del progetto saranno sviluppate competenze sull'uso di solutori che consentono di effettuare tali stime, partendo dal codice DS3V, già disponibile al CIRA.
Strumenti per il “Design for Demise": La capacità di progettare satelliti in grado di distruggersi al rientro nell'atmosfera, minimizzando i rischi in fase di atterraggio, è cruciale a causa del gran numero di detriti spaziali e satelliti dismessi che orbitano intorno alla terra. A tale scopo è nata una disciplina, denominata “Design for Demise", che utilizza fra l'altro software “object oriented", come il codice Drama (ESA) o Phoenix (Politecnico di Milano), al fine di prevedere in che modo la capsula o il satellite si distruggeranno in fase di rientro, e dove cadranno i detriti che ne derivano. In tali codici vengono utilizzati modelli di aerotermodinamica molto semplificati. Obiettivi del presente progetto sono la validazione e il miglioramento di tali modelli, mediante analisi numerica di geometrie rappresentative.
Programma
PRO.R.A (DM 662/20) - Sistemi di accesso allo Spazio
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data inizio:
martedì 2 novembre 2021
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durata:
50.0000000000000
martedì 18 ottobre 2022
278
martedì 18 ottobre 2022
ATDTEC
Fluid Mechanics
L'aerotermodinamica è una disciplina essenziale ai fini della progettazione di velivoli ipersonici, di capsule o navette spaziali per il rientro nell'atmosfera terrestre, nonché di capsule per missioni interplanetarie.
Scientific computing systems, Plasma Wind Tunnel Complex
