@PhDThesis{Leite:2015:CoAnAe,
author = "Leite, Paulo Henrique Mineiro",
title = "Computational analysis of the aerothermodynamic effects in a
reentry vehicle with surface discontinuity like a combined
GAP/STEP",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2015",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2015-06-25",
keywords = "escoamento hipers{\^o}nico, escoamento rarefeito, geometria
combinada filete/degrau, ve{\'{\i}}culo de reentrada, hypersonic
flow, rarefied flow, combined gap/step flow, reentry vehicle.",
abstract = "This work is a computational study of a hypersonic rarefied
non-reacting flow past a combined gap/step configuration at
zero-degree angle of attack in thermal nonequilibrium conditions.
Effects on the flowfield structure and on the aerodynamic surface
quantities due to changes in the gap L/H ratio and on the step
frontal-face height h in a combined gap/step configuration are
investigated by employing the Direct Simulation Monte Carlo
method. The work focuses the attention of designers of hypersonic
configurations on the fundamental parameter of surface
discontinuity, which can have an important impact on even initial
design. The results presented highlight the sensitivity of the
primary flowfield properties - velocity, density, pressure, and
temperature -to changes in the gap L/H ratio and in the step
frontal-face height h in a combined gap/step configuration. In
addition, the behavior of heat transfer, pressure and skin
friction coefficients due to variation in the gap L/H ratio and in
the step frontal-face height h is detailed. For the conditions
investigated in the present account, the analysis shows that
hypersonic flow past a combined gap/step configuration in the
transition flow regime is characterized by a strong compression
ahead of a combined gap/step, which influences the aerodynamic
surface properties upstream and adjacent to the step frontal-face.
The analysis also shows that the upstream disturbance imposed by
the combined gap/step configuration increased with increasing the
step frontal-face height h. As a consequence, it was found that
the aerodynamic heating and pressure loads were affected by the
step frontal-face height changes. Locally high heating and
pressure loads were observed at three locations along the surface,
i.e., on the lower surface, on the frontal-face surface, and on
the upper surface. It was evident that these loads increased with
increasing the step frontal-face h. Peak values for the heat
transfer coefficient on the frontal-face surface were at least one
order of magnitude larger than the maximum value observed for a
smooth surface, i.e., a flat-plate without a combined gap/step.
Furthermore, the gap L/H ratio in a combined gap/step did not
affect the aerodynamic surface coefficients along lower surface.
Additionally, it was also found that density and pressure inside
the gap in a combined gap/step configuration dramatically
increased when compared to those observed for the gap alone due to
the presence of the step. Finally, a comparison of the present
simulation results with numerical and experimental data showed
close agreement concerning to the wall pressure and kinetic
temperature acting on the combined gap/step surface. RESUMO: O
presente trabalho descreve um estudo computacional de um
escoamento hipers{\^o}nico rarefeito n{\~a}o-reativo incidindo
sobre uma geometria definida pela combina{\c{c}}{\~a}o de um
filete e um degrau. Nesse estudo, investigou-se, utilizando-se o
m{\'e}todo Direct Simulation Monte Carlo (DSMC), o efeito na
estrutura do escoamento e nas quantidades aerodin{\^a}micas na
superf{\'{\i}}cie da geometria devido a mudan{\c{c}}as na
raz{\~a}o argura/profundidade (L/H) do filete e na altura h da
face frontal do degrau. Define-se por estrutura do escoamento a
distribui{\c{c}}{\~a}o das propriedades prim{\'a}rias, tais
como velocidade, massa espec{\'{\i}}fica, press{\~a}o e
temperatura, ao redor da geometria filete/degrau. Denota-se como
propriedades aerotermodin{\^a}micas na superf{\'{\i}}cie o
fluxo de calor e as for{\c{c}}as normal e tangencial agindo na
superf{\'{\i}}cie em termos de coeficiente de transfer{\^e}ncia
de calor, coeficiente de press{\~a}o, e coeficiente de atrito. Os
resultados obtidos apresentam o comportamento dessas propriedades
devido a mudan{\c{c}}as nos dois par{\^a}metros
geom{\'e}tricos, a raz{\~a}o L/H e a altura h. O estudo mostrou
que a estrutura do escoamento ao redor da geometria filete/degrau
{\'e} caracterizada por uma forte zona de compress{\~a}o a
montante do degrau, na qual afeta as propriedades
aerodin{\^a}micas n{\~a}o somente na superf{\'{\i}}cie a
montante da geometria filete/degrau bem como na face do degrau. A
an{\'a}lise tamb{\'e}m mostrou que a extens{\~a}o desse efeito
a montante aumentou com o aumento da face frontal h do degrau.
Como resultado, as cargas t{\'e}rmicas e de press{\~a}o foram
afetadas devido a mudan{\c{c}}as na altura h do degrau. Altas
cargas t{\'e}rmicas e de press{\~a}o foram observadas em
determinadas posi{\c{c}}{\~o}es na superf{\'{\i}}cie a
montante a geometria filete/degrau, na face do degrau, e na
superf{\'{\i}}cie a jusante a geometria. Os valores obtidos para
o coeficiente de transfer{\^e}ncia de calor ao longo da face do
degrau, foram de uma ordem de magnitude superiores ao valor
m{\'a}ximo observado para uma superf{\'{\i}}cie livre de
descontinuidades, i.e., uma placa plana sem a geometria
filete/degrau. No que concerne as varia{\c{c}}{\~o}es da
raz{\~a}o L/H do filete em uma geometria combinada filete/degrau,
observou-se que estas varia{\c{c}}{\~o}es n{\~a}o afetaram as
propriedades aerotermodin{\^a}micas ao longo da
superf{\'{\i}}cie inferior, para as condi{\c{c}}{\~o}es
investigadas. Ademais foi tamb{\'e}m observado um aumento
expressivo nas propriedades prim{\'a}rias de press{\~a}o e massa
espec{\'{\i}}fica dentro do filete presente na geometria
filete/degrau, devido a presen{\c{c}}a do degrau, quando
comparados aos resultados obtidos de quando da exist{\^e}ncia de
somente o filete. Finalmente, dados experimentais e num{\'e}ricos
quando comparados com os dados obtidos pela presente
simula{\c{c}}{\~a}o, mostraram estar bem pr{\'o}ximos dos
valores obtidos para as propriedades de temperatura e press{\~a}o
que agem sobre a superf{\'{\i}}cie da geometria filete/degrau.",
committee = "Santos, Wilson Fernando Nogueira dos (presidente/orientador) and
Travelho, Jer{\^o}nimo dos Santos and Kalempa, Denise and Nova,
Helcio Francisco Villa and Machado, Humberto Araujo",
copyholder = "SID/SCD",
englishtitle = "An{\'a}lise computacional dos efeitos aerotermodn{\^a}micos em
um ve{\'{\i}}culo de reentrada com descontinuidade na
superf{\'{\i}}cie do tipo filete/degrau.",
language = "en",
pages = "187",
ibi = "8JMKD3MGP3W34P/3JL5CRP",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34P/3JL5CRP",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "28 abr. 2024"
}