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Anno Accademico 2009/10
01LNWFQ
Aerotermodinamica del rientro
Corso di L. Specialistica in Ingegneria Aerospaziale - Torino
Docente Qualifica Settore Lez Es Lab Tut Anni incarico
D'Ambrosio Domenic ORARIO RICEVIMENTO RC ING-IND/06 62 22 0 0 3
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/06 7.5 B - Caratterizzanti Ingegneria aerospaziale ed astronautica
Esclusioni:
01IIK; 01GDV
Obiettivi dell'insegnamento
L'aerotermodinamica č quel settore dell'aerodinamica che studia la cinetica e la termodinamica delle miscele gassose, tipicamente nei regimi di moto ad alta velocitą, caratterizzati da numeri di Mach in genere superiori a 5 (flussi ipersonici). Gli studio dell'aerotermodinamica č di fondamentale importanza nel progetto di un veicolo adibito al trasporto spaziale che debba fare il suo ingresso nell'atmosfera di un pianeta. Tipiche applicazioni riguardano il progetto del sistema di protezione termica e la determinazione delle caratteristiche aerodinamiche di un veicolo di rientro atmosferico.
Il corso mira a fornire agli studenti le conoscenze di base nel settore, descrivendo i diversi aspetti, spesso di natura interdisciplinare, che entrano in gioco nell'aerodinamica delle alte velocitą. Verranno inoltre brevemente descritti gli strumenti, di natura numerica e sperimentale, adottati per condurre gli studi in questione. Alle descrizioni di natura teorica, trattate con rigore scientifico, verranno sempre affiancati esempi di applicazioni tecnologiche progettate utilizzando gli strumenti teorici trattati nelle varie fasi del corso.
Alla fine del corso gli studenti dovrebbero essere in grado di orientarsi nella lettura di pubblicazioni specialistiche sull'argomento ed essere in grado di iniziare una tesi di ricerca nel settore.
Competenze attese
Conoscenza di base della fluidodinamica e delle equazioni di governo.
Prerequisiti
Aerodinamica di base.
Programma
Introduction
Generalitą
Definizione di 'aerotermodinamica' e di 'regime ipersonico'. Esempi di veicoli ipersonici.
Atmosfere planetarie: Terra, Marte, Venere e Titano.

Nozioni base sui flussi compressibili
Equazioni di Eulero: leggi di conservazione (LC) ed equazioni differenziali (PDE) in forma di divergenza e quasi-lineare. Effetti della compressibilitą. Velocitą del suono.
Moto1D non stazionario: leggi di conservazione (LC) ed equazioni differenziali alle derivate parziali (PDE.).
Discontinuitą e loro propagazione. Condizioni di salto. Caratteristiche, segnali, equazioni di compatibilitą. Campi ad onda semplice. Metodo delle caratteristiche. Struttura discontinuitą e caratteristiche. Interazione fra discontinuitą, mutua e con contorni.
Moto 2D stazionario supersonico: LC e PDE.
Discontinuitą e loro propagazione. Condizioni di salto.
Caratteristiche, segnali, equazioni di compatibilitą. Piano odografo ed epicicloidi. Espansione di Prandtl-Meyer. Metodo delle caratteristiche.
Strofoide e cardioide dell'urto obliquo. Riflessione regolare e di Mach di urti obliqui su parete.
Confronto di interazioni di onde in moti 1D-non stazionario e 2D-stazionario.
Flussi su rampa, cono e corpo tozzo.

Generalitą sui flussi ipersonici.
Fenomeni caratteristici dell'aerotermodinamica ipersonica. Strato d'urto sottile, strato di entropia, interazione viscosa, effetti di alta temperature, effetti di bassa densitą.

Generalitą sugli strumenti di previsione numerica
Previsione numerica di flussi ipersonici: fluidodinamici numerica (CFD) e simulazione diretta Monte-Carlo (DSMC).

Aerodinamica ipersonica senza fenomeni di trasporto (flussi 'freddi').
Onde d'urto
Urti attaccati e staccati, veicoli ipersonici e onde d'urto.
Relazioni dell'urto retto e obliquo e loro limite per grandi numeri di Mach, flusso supersonico su rampa, urti obliqui, massimo angolo di deflessione, flusso supersonico su cono, soluzione di urto forte ed urti staccato, il problema del corpo tozzo in regime ipersonico, linee di stagnazione e di massima entropia, comportamento della linea sonica.
Correlazioni per la forma dell'urto in regime ipersonico. Variazione del numero di Reynolds attraverso le onde d'urto. Equazioni di governo e condizioni al contorno per flussi compressibili in assenza di fenomeni di trasporto. Il principio di indipendenza dal numero di Mach di Oswatitsch.

Introduzione ai metodi numerici per flussi ipersonici
Metodi 'space marching' e 'time-marching'. Schemi impliciti ed espliciti. Schemi tipo 'flux-difference splitting' e loro estensione a calcoli bidimensionali. Implementazione delle condizioni al contorno.

Viscous hypersonic aerodynamics (cold flows)
Equazioni di Navier-Stokes
Equazioni di Navier-Stokes in forma integrale conservativa e differenziale conservativa. Introduzione ai coefficienti di trasporto. Normalizzazione delle equazioni di bilancio di massa, quantitą di moto ed energia nelle diverse forme. Condizioni al contorno. Raffreddamento radiativo e concetto di parete adiabatica radiativo. Coefficienti di trasporto.
Strato limite compressibile
Il concetto di strato limite. Approssimazione di strato limite per le equazioni di quantitą di moto ed energia per flussi compressibili. Condizioni al contorno. Soluzioni auto-similari. La trasformazione di Lees-Dorodnitsyn e le equazioni di strato limite trasformate.
Strato limite compressibile su una lastra piana. Coefficiente di attrito e numero di Stanton. Confronto con il caso incompressibile. Effetto del numero di Mach. Effetto della temperatura di parete. Temperatura di parete adiabatica, fattore di recupero, variazione del fattore di recupero con il numero di Mach. Soluzione numerica dello strato limite compressibile su una lastra piana usando un metodo di shooting.
Equazioni di strato limite compressibile per la linea di stagnazione. Flusso termico al punto di stagnazione. La formula di correlazione di Fay-Riddel. Derivazione teorica della formula di Fay-Riddel. Dipendenza dalla curvature della parete del flusso termico convettivo. Strati limite non auto-similari. Il metodo della temperatura di riferimento.
Interazione viscose in regime ipersonico: parametro chi-bar, spessore di spostamento in regime di interazione forte e debole, correlazioni con dati sperimentali.
Interazioni tra urti e tra urti e strato limite
Interazioni tipo 'rampa', interazioni 'naso/bordo di attacco'.
Interazioni tipo 'Edney' (con enfasi sulle interazioni Edney III e Edney IV).
Interazioni urto/strato limite su configurazioni lastra piana/rampa o cilindro cavo/tronco di cono.

Flussi ipersonici ad alta temperatura
Generalitą
Flussi ad alta temperature, gas caloricamente e termicamente perfetto, legge del gas perfetto per le componenti di una miscela, flussi in equilibrio ed in non-equilibrio. Energia interna, entalpia e calori specifici di una miscela gassosa in funzione dei gas componenti.

Equilibrio chimico
Reazioni chimiche, calore di reazione.
Composizione di un gas reagente in equilibrio chimico: costante di equilibrio, conservazione dei nuclei.

Proprietą termodinamiche di una singola specie chimica
Energia interna, teoria quantistica, energia di punto zero, principio di equipartizione dell'energia, energia traslazionale e rotazionale.
Energia vibrazionale, modelli di oscillatore, energia vibrazionale in equilibrio nel caso del modello di oscillatore armonico.
Proprietą termodinamiche di un gas in equilibrio chimico: entalpia ed energia sensibile, calore di formazione, entalpia di formazione standard allo zero assoluto, energia di punto zero 'effettiva'.

Non-equilibrio chimico e vibrazionale
Definizione della condizione di non-equilibrio.
Non-equilibrio vibrazionale.
Equazione di rilassamento dell'energia vibrazionale, modello del V-T transfer, processi di rilassamento vibrazionale, tempo di rilassamento vibrazionale per specie e per miscele, modello del V-V transfer.

Non-equilibrio chimico
Velocitą di reazione dirette ed inverse. Variazione di concentrazione dovuta ad una reazione chimica. La legge di azione di massa. L'equazione di Arrhenius. Energia di attivazione ed energia di dissociazione. Reazioni elementari. Variazione della concentrazione delle specie in una miscela dovuta a pił reazioni chimiche.
Reazioni di ionizzazione.

Equazioni di governo per flussi non viscosi ad alta temperatura
Equazioni di governo per flussi in equilibrio termico e chimico.
Equazioni di governo per flussi in non-equilibrio termico e chimico: equazione di bilancio della massa delle specie, equazioni di bilancio dell'energia vibrazionale. Il numero di Damkhoeler.
Miscele di gas ionizzate: ipotesi della neutralitą locale, diffusione ambipolare, miscele di gas non elettricamente neutre.

Fenomeni di trasporto in miscele gassose
Diffusione di massa: coefficienti di diffusione multi-componente e coefficienti di diffusione binaria, flussi diffusivi di massa delle specie chimiche, la legge di Fick, l'equazione di bilancio di massa delle specie chimiche.
Diffusione dell'energia: trasporto di energia per conduzione termica e per diffusione; il flusso termico diffusivo.
Diffusione di massa: viscositą di una miscela reagente.
Risultati della teoria di Chapman-Enskog: 'driving-force' diffusiva, diffusione termica, presso-diffusione, diffusione di particelle cariche e campi elettromagnetici.

Interazioni gas/superficie
Condizioni al contorno per velocitą e temperature.
Condizioni al contorno per le concentrazioni dei componenti la miscela: parete non catalitica, parete in equilibrio, parete completamente catalitica, parete parzialmente catalitica.
Parete ablativa.
Orario delle lezioni
Statistiche superamento esami

Programma definitivo per l'A.A.2009/10
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