@MastersThesis{OspinaContreras:2017:AnAtIm,
author = "Ospina Contreras, Daimer Mauthsud Leovan",
title = "Angle of attack impact in the aerothermodynamics of a hypersonic
vehicle with surface discontinuity-like a cavity",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2017",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2017-04-19",
keywords = "computational study, DSMC method, hypersonic rarefied flow,
aerothermodynamic, angle of attack, estudo computacional, metodo
DSMC, fluido hipers{\'o}nico enrarecido, aerotermodin{\'a}mica,
angulo de ataque.",
abstract = "The study described in this dissertation was undertaken with the
purpose to investigate the impact of discontinuities present on
the surface of hypersonic space vehicles. With this perspective in
mind, computational simulations of a non-reacting rarefied
hypersonic flow over a flat plate with a cavity have been
performed by using the Direct Simulation Monte Carlo method.
Simulations provided a comprehensive description about the nature
of the flowfield structure and the aerodynamic surface properties
on the cavity resulting from changes in the length-to-depth (L/H)
ratio and changes in the angle of attack of the oncoming flow. A
detailed description of the flowfield properties (velocity,
density, pressure and temperature) and aerodynamics surface
properties (number flux, heat transfer, pressure and skin
friction) were obtained by a numerical method that properly
account for non-equilibrium effects in the transition flow regime.
Results for a cavity defined by L/H ratio of 1, 2, 3 and 4, and
flow with angle of attack of 10, 15 and 20 degrees, were compared
to those of a flat plate without a cavity with zero-degree angle
of incidence and with a flat plate at incidence. The analysis
showed that the flow topology inside the cavity, composed by
recirculation regions, depended on the L/H ratio as well as on the
angle of attack, for the conditions investigated. For L/H < 3 a
single vortex core was formed, and filled entirely the cavity. In
contrast, for L/H of 3 and 4, two vortices were formed inside the
cavity, at the vicinity of the backward and forward faces. The
analysis also showed that, for the L/H = 4 case, the flow topology
inside the cavity corresponds to that of a \${''}\$closed
cavity\${''}\$ in the continuum flow regime for 10-degree angle
of incidence, and similar to an open cavity for the others angles
of attack investigated. In addition, it was found that the maximum
values for the heat transfer, pressure and skin friction
coefficients inside the cavity took place on the cavity forward
face. It was also found that, maximum values for heat transfer
coefficient inside the cavities increased with increasing the
angle of attack \$\alpha\$. However, it was observed that these
maximum values are smaller than those observed in a flat-plate
without a cavity for the corresponding angle of attack.
Consequently, in terms of pressure, the presence of the cavity on
the vehicle surface can not be ignored in the vehicle design.
RESUMO: O estudo descrito nesta disserta{\c{c}}{\~a}o foi
realizado com o prop{\'o}sito de investigar o impacto de
descontinuidades presentes na superf{\'{\i}}cie de
ve{\'{\i}}culos espaciais hipers{\^o}nicos. Em busca deste
prop{\'o}sito, simula{\c{c}}{\~o}es computacionais de um
escoamento hipers{\^o}nico rarefeito n{\~a}o-reativo sobre uma
cavidade foram realizadas usando-se o m{\'e}todo Direct
Simulation Monte Carlo. As simula{\c{c}}{\~o}es forneceram
informa{\c{c}}{\~o}es detalhadas sobre a natureza da estrutura
do escoamento, propriedades prim{\'a}rias e propriedades
aerodin{\^a}micas, em fun{\c{c}}{\~a}o de mudan{\c{c}}as na
raz{\~a}o comprimento-profundidade (L/H) da cavidade, e
mudan{\c{c}}as no {\^a}ngulo de ataque do escoamento incidindo
sobre a cavidade. Uma descri{\c{c}}{\~a}o detalhada, das
propriedades prim{\'a}rias (velocidade, massa
espec{\'{\i}}fica, press{\~a}o e temperatura) e das quantidades
aerodin{\^a}mica na superf{\'{\i}}cie (transfer{\^e}ncia de
calor, press{\~a}o e atrito), foi obtida por um m{\'e}todo
num{\'e}rico que leva em conta adequadamente os efeitos de
n{\~a}o-equil{\'{\i}}brio no regime de transi{\c{c}}{\~a}o.
Os resultados, para cavidades definidas por L/H de 1, 2, 3 e 4,
com {\^a}ngulos de ataque do escoamento de 10, 15 e 20 graus,
foram comparados com os de uma placa plana sem/com a
presen{\c{c}}a de cavidade sem/com incid{\^e}ncia. A
an{\'a}lise mostrou que a topologia do escoamento dentro da
cavidade, composta por regi{\~o}es de
recircula{\c{c}}{\~a}o,dependeu da raz{\~a}o L/H bem como do
{\^a}ngulo de ataque do escoamento, para as condi{\c{c}}{\~o}es
investigadas. Para L/H < 3, observou-se a forma{\c{c}}{\~a}o de
um {\'u}nico v{\'o}rtice ocupando inteiramente a cavidade. Para
cavidade com L/H =3 e 4, dois v{\'o}rtices foram formados dentro
da cavidade, nas vizinhan{\c{c}}as das faces a montante e a
jusante da cavidade. A an{\'a}lise tamb{\'e}m mostrou que, para
uma cavidade com L/H = 4 e 10 graus de incid{\^e}ncia, a
estrutura do escoamento dentro da cavidade correspondeu aquela de
uma cavidade fechada , conforme definido para um escoamento no
regime do cont{\'{\i}}nuo. Por outro lado, para L/H = 4 e
maiores {\^a}ngulos de incid{\^e}ncia, a estrutura do escoamento
correspondeu aquela de uma cavidade aberta , para os {\^a}ngulos
de ataque investigados. Outrossim, verificou-se que os valores
m{\'a}ximos para os coeficientes de transfer{\^e}ncia de calor,
press{\~a}o e coeficiente de atrito ocorreram na
superf{\'{\i}}cie a montante do escoamento dentro da cavidade.
Verificou-se tamb{\'e}m que, os valores m{\'a}ximos para o
coeficiente de transfer{\^e}ncia de calor dentro da cavidade
aumentaram com o aumento do {\^a}ngulo de ataque \$\alpha\$.
Todavia, esses valores m{\'a}ximos foram menores do que aqueles
observados sobre uma placa plana sem cavidade com incid{\^e}ncia.
Como resultado, em termos de press{\~a}o, a presen{\c{c}}a da
cavidade sobre a superf{\'{\i}}cie do ve{\'{\i}}culo n{\~a}o
pode ser ignorada no projeto do ve{\'{\i}}culo.",
committee = "Santos, Wilson Fernando Nogueira dos (presidente/orientador) and
Travelho, Jeronimo dos Santos and Nova, H{\'e}lcio Francisco
Villa",
englishtitle = "Impacto do {\^a}ngulo de ataque na aerotermodin{\^a}mica de um
ve{\'{\i}}culo hipers{\^o}nico com descontinuidades na
superficie como uma cavidade",
language = "en",
pages = "201",
ibi = "8JMKD3MGP3W34P/3NMDH2S",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34P/3NMDH2S",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "27 abr. 2024"
}