Recombinación y Transferencia de Energía en la Tobera de la instalación EAST en el Centro de Investigación NASA Ames

Abstract

[EN] The flow phenomena occurring during the planetary descent of a space vehicle is the main application of hypersonic aerothermodynamics. These flows are very difficult to compute, thus the aid of a reduced-order model for recombination is used in the present work to decrease the high computational costs of collisional (or State-to-State) models. This reduced order model is called "maximum entropy linear" (MEL) model and it achieves such reduction by grouping the different internal energy states of the gas into different groups, or bins, and imposing a Maxwell-Boltzmann distribution within each bin. The test case of study is the nozzle of the Electric Arc Shock Tube (EAST) facility at NASA Ames Research Center. The system in consideration is "N2 (1 Σ+g ) - N(4 Su )", for which an "ab initio" database of kinetic data is available, developed by NASA Ames Research Center. The solutions are obtained by means of a Lagrangian ODE solver, from where the populations and other thermodynamic data of the different bins are obtained. Results show that for the solution to be converged within the model, at least seven bins have to be used, in order to have a solution which is independent of the number of bins.

[ES] Las estructuras del flujo alrededor de un vehículo espacial en fase de descenso planetario es la principal aplicación de la aerotermodinámica hipersónica. Estos flujos son muy complejos de computar, por lo que en el presente trabajo se usa la ayuda de un modelo de orden reducido en la recombinación para reducir el alto coste computacional de modelos colisionales (o modelos Estado-a-Estado). El modelo de orden reducido se denomina modelo "maximum entropy linear" (MEL) y la reducción se consigue agrupando los diferentes estados de energía internos del gas en diferentes grupos, o compartimentos, e imponiendo una distribución Maxwell-Boltzmann por cada compartimento. El caso de estudio es la tobera de la instalación EAST (electric arc shock tube) en el centro de investigación NASA Ames. El sistema en consideración es "N2 (1 Σ+g ) - N(4 Su )", para el cual hay disponible una base de datos "ab initio" de información cinética desarrollada por el centro de investigación NASA Ames. Las soluciones se obtienen a través de un solver ODE lagrangiano, de donde se obtienen las poblaciones y otros datos termodinámicos de los diferentes compartimentos. Los resultados indican que para que la solución esté convergida con respecto al modelo, al menos se deben usar siete compartimentos para tener una solución independiente del número de compartimentos.