| Aristotle University of Thessaloniki - Psifiothiki |
 guest ::
login
|
|||||||||||
|
|
|
| Home > Theses > Graduate Theses > Record#129115: Μοντελοποίηση της ροής γύρω από την διαστημική κάψουλα ORION για διάφορες συνθήκες επανεισόδου |
| GRI-2012-8579 |
| Title: | Μοντελοποίηση της ροής γύρω από την διαστημική κάψουλα ORION για διάφορες συνθήκες επανεισόδου | ||
| Authors: | Γκουδεσνές, Χρήστος | ||
| Physical Description: | 87 p. | ||
| 2011 | |||
| Αυτή η διπλωματική εκπονήθηκε για δυο σημαντικούς σκοπούς. Ο πρώτος είναι να αναπτύξει τη θεωρεία που διέπει υπερ-υπερηχητικές ροές και να προσπαθήσει εν συντομία να αναπτύξει τα διάφορα εργαλεία που έχουμε για να αντιμετωπίσουμε τέτοιες ροές. Ο δεύτερος και εξίσου σημαντικός σκοπός αυτής της εργασίας είναι να προσπαθήσει να μοντελοποιήσει αυτές τις ροές με χρήση ενός εμπορικού κώδικα CFD (FINE-TURBO της NUMECA). Όσον αφορά το πρώτο σκέλος, έγινε προσπάθεια να αναπτυχθεί όλο το φάσμα των περιοχών που περνάει ένα εξερευνητικό διαστημικό όχημα μεταφοράς προσωπικού τύπου ORION κατά την επανείσοδό του στη γήινη, κυρίως, ατμόσφαιρα. Έτσι, γίνεται αναφορά στα τρία στάδια, ανάλογα με το υψόμετρο και τον αδιάστατο αριθμό Kn, τα οποία είναι το στάδιο ελευθέρων μορίων (free molecular regime), το μεταβατικό (transitional regime) και το στάδιο συνεχούς μέσου (continuum regime). Επιπλέον, όπως αναφέρθηκε, αναλύεται εν συντομία και τα εργαλεία που έχουμε για κάθε ένα από αυτά τα στάδια. Σε αυτό το σημείο τοποθετούμε και το στάδιο στο οποίο θα γίνει η ανάλυσή μας, το στάδιο του συνεχούς μέσου. Στη συνέχεια, αναλύουμε τα διάφορα φαινόμενα τα οποία λαμβάνουν χώρα σε υπερ-υπερηχητικές ροές και θέτουμε τις διάφορες περιοχές και τρόπους μοντελοποίησης, ανάλογα με τη θερμοκρασία, που προκύπτουν. Και εδώ τοποθετούμε την περιοχή και τα εργαλεία που θα χρησιμοποιήσουμε για την ανάλυσή μας. Έπειτα, δίνουμε τους ορισμούς της θερμικής και της χημικής ισορροπίας, και εισάγουμε το μοντέλο των περισσότερων από μίας θερμοκρασίας και την ανάγκη της σωστής μοντελοποίησης των χημικών αντιδράσεων ώστε να αντιμετωπίσουμε φαινόμενα όπου δεν έχουμε ισορροπία. Τέλος, και με τη βοήθεια της βιβλιογραφίας, δίνουμε κάποια σημεία που πρέπει να ληφθούν υπόψη ώστε να μπορούν οι διάφοροι κώδικες να μοντελοποιούν τέτοιες ροές σωστά. Όσον αφορά το σκέλος της ανάλυσης, και έχοντας θέση το πλαίσιο μέσα στο οποίο θα πραγματοποιηθεί από τη θεωρεία, προχωρήσαμε στους υπολογισμούς. Έτσι, λοιπόν ο δεύτερος σκοπός αυτής της εργασίας είναι να ελέγξει αν χρησιμοποιώντας έναν εμπορικό κώδικα CFD, με χρήση θερμικώς ιδανικού αερίου (thermally perfect gas) και πληθώρα παραδοχών, που αναλύονται, είμαστε σε θέση να πάρουμε αξιόπιστα αποτελέσματα, κυρίως ποιοτικά αλλά και ποσοτικά, για το πεδίο ροής που αναπτύσσεται γύρω από την διαστημική κάψουλα ORION. Αναλύονται οι διάφορες ροϊκες οντότητες που εμφανίζονται σε αυτές τις συνθήκες ποιοτικά, και συγκρίνουμε τα αποτελέσματα από τις διάφορες συνθήκες που τρέξαμε τόσο μεταξύ τους, όσο και με τα αναμενόμενα από την θεωρεία. Τέλος, προτείνονται κάποιες ιδέες για μετέπειτα χρήση του όλου εγχειρήματος, ενώ προτείνονται και κάποια πράγματα για τη μετέπειτα εξέλιξή του. There are two reasons for what this pre-diploma project has been carried out. The first reason is to present both the theory of hypersonic flows and a variety of modeling tools for such flows. The second reason is to try modeling such flowfields with the assistance of a CFD program, the commercial CFD NUMECA FINE TURBO. In the end, the results are checked for their validity so as to be found convergences and divergences. Thereby, they can be used in future projects as reference data. As far as the first part is concerned, there are four phenomena which characterize the hypersonic flows, namely 1) thin shock layer, 2) entropy layer, 3) viscous interaction and 4) high temperature flows. Thus using the bibliography, the above phenomena are presented comprehensively. Additionally, for the better understanding of the whole concept, explanations are provided from a variety of scientific fields, primarily thermodynamics, such as thermo-chemical non-equilibrium, and some models for high-temperature gases are proposed. On the other hand, because lots of hypersonic vehicles fly in the higher layers of atmosphere, there is a fifth phenomenon, low density flows, which affects such flowfields. So, using the dimensionless Knudsen number and the altitude, it is possible to divide the trajectory of a reentry vehicle into three areas, to be exact 1) free molecular regime, 2) transitional regime and 3) continuum regime. Moreover, the scientific tools for each regime are presented and analyzed in brief. Subsequently, the Boltzmann equation and the DSMC (Direct Simulation Monte Carlo) method for the transitional regime are presented, while for the free molecular regime the Newton method and the two models of Maxwell for the description of the collisions between surface and molecules are explained. As for the continuum regime, in which the project takes place, the equations for compressible flow and how they can solve numerically by the CFD program are presented. As far as the second part is concerned, three scenarios are studied, namely the atmospheres of Earth, Mars and Jupiter, that is air, carbon dioxide and hydrogen respectively. Two axisymmetric grids are used, producing with the NUMECA IGG. The first is used for air, with 500,000 cells approximately, and the second is used for the other gases, with about 750,000 cells. The final results, like diagrams and images, are taken with the use of NUMECA CFView. In this way, the calculations are verified by comparing them with experimental or theoretical data taking from the bibliography. Finally, the assumptions are described and examined so that their effects are taken into consideration. Finally, in the appendixes, the geometry of the capsule and the tables of the thermophysical values of the three gases are given. Last but not least, it is suggested some ideas for future work and further evolution of the concept. | |||
| Department: | Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Πολυτεχνική Σχολή, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών | ||
| Supervisor: | Υάκινθος, Κίρος | ||
| Keywords: | CFD, AEROSPACE, HYPERSONIC
| Full Text: | Fulltext: Main PDF | |
