Magneto-Fluid-Dynamic Methods for Hypersonic Aerothermodynamic and Space Propulsion Applications

Lo studio della modellistica per i plasmi rappresenta un campo di ricerca in continua evoluzione, ricoprendo, in particolare, un ruolo fondamentale nello sviluppo di tecnologie applicabili a problematiche quali la fusione, la propulsione spaziale e il rientro atmosferico. Il presente lavoro si inserisce nell’ambito della ricerca relativa allo studio di modelli fisico-matematici e di metodi numerici per l’analisi e la simulazione dei fenomeni di interazione magnetofluidodinamica in flussi ipersonici ad alta energia. Negli ultimi anni, nella comunità scientifica, questo genere di tematica è stato oggetto di rinnovato interesse poiché i concetti di base sembrano poter essere realmente applicati al volo. In particolare, la riduzione locale del flusso termico, il controllo della distribuzione di pressioni sul corpo, la riduzione della resistenza d’urto e concetti di bypass magnetoidrodinamico per motori scramjet sono tra le applicazioni di maggior interesse. Tuttavia non esiste sperimentazione in volo e quella a terra è caratterizzata soprattutto da prove in Argon, un gas che ha un comportamento cinetico-chimico molto diverso dall’aria. Per una effettiva valutazione di fattibilità e per comprendere a fondo la complessa fenomenologia fisica legata a questo tipo di problemi, `e quindi necessario un sforzo sinergico tra modellistica teorico-numerica e sperimentazione. Pertanto, l’attenzione in questo lavoro è stata focalizzata all’ analisi e lo sviluppo di modellistica tridimensionale per gas reagenti ad alta entalpia in presenza di un campo elettromagnetico. In particolare, `e stato scelto un modello che permette di trattare il plasma come una miscela di gas in non-equilibrio termochimico, sono quindi stati analizzati e implementati differenti modelli di chimica in presenza di specie ionizzate (per aria ed Argon) e di trasporto in presenza di campi elettromagnetici, e sono state sviluppate e testate diverse metodologie numeriche per la risoluzione delle equazioni di Maxwell in forma completa. I modelli sviluppati sono stati validati mediante casi di letteratura, inclusa la ricostruzione numerica di un esperimento di interazione magnetofluidodinamica in Argon. Nella parte finale della tesi i modelli proposti sono stati utilizzati per analizzare una strategia per la progettazione preliminare di una prova sperimentale di interazione magnetofluidodinamica in aria al fine di valutare l’esistenza di effetti macroscopici misurabili. Questo costituisce di fatto un passo in avanti poiché getta le basi per la sperimentazione in aria che è un prerequisito fondamentale per la futura estensione di questa tecnologia al volo.