High Fidelity Simulation of the supersonic wake of a re-entry vehicle

The work carried out consists of a set of fluid dynamics simulations launched with the aim of reproducing the temporal evolution of the supersonic wake produced by the ExoMars 2016 capsule in the descent phase of the EDL (Entry-Descent-Landing) sequence performed on Mars. The numerical technique used to obtain an accurate reconstruction of the wake flow is the implicit LES (Large-Eddy Simulations) technique, which consists in simulating only the largest eddies of a turbulent flow and treating the contribution of smaller eddies relying on dissipation intrinsic of the numerical schemes implemented. In this way it is possible to handle high Reynolds flows. The solver used to solve the governing equations is STREAmS, a solver validated on canonical flows (supersonic channel, supersonic boundary layer, interaction between shock wave and boundary layer) which implement a hybrid formulation between conservative schemes and WENO reconstructions. This strategy turns out to be optimal for fluid dynamic fields characterized by the presence of discontinuities and turbulent regions. To cope with the high computational cost required, the simulations were launched on the CINECA MARCONI 100 cluster. The entire work (launch of the simulations and postprocessing of the results) was carried out remotely using the Fortran 90 language. The simulations were launched for different angles of attack of the capsule (0 °, 5 °, 10 ° and 15 °) on an IBM module (Immersed Boundary Method) consisting of a Cartesian grid of 10 ^ 9 nodes. The goal is to reproduce and evaluate how the flow behaves for different capsule attitudes. The inflow conditions (Mach 2 and Reynolds 10 ^ 6) were set to recreate the flight conditions found in the terminal part of the descent phase and were obtained on the basis of the informations reported in the work AMELIA (ExoMars Atmospheric Mars Entry and Landing Investigations and analysis). The simulations have been successfully obtained, demonstrating the validity of the procedure implemented in this work for the analysis of the aerodynamics that foresee the atmospheric re-entry phases. The results obtained enrich the understanding of the subject and support further studies concerning the aerodynamics of the capsule and relative parachute for different flight conditions.

Il lavoro svolto consiste in una serie di simulazioni fluidodinamiche lanciate con l'obiettivo di riprodurre l'evoluzione temporale della scia supersonica prodotta dalla capsula ExoMars 2016 nella fase descent della sequenza EDL (Entry-Descent-Landing) eseguita su Marte. La tecnica numerica utilizzata per ottenere una ricostruzione accurata del flusso di scia è la tecnica implicit LES (Large-Eddy Simulations), la quale consiste nel simulare solamente i vortici più grandi di un flusso turbolento e trattare il contributo dei vortici più piccoli affidandosi alla dissipazione intrinseca degli schemi numerici implementati. In questo modo è possibile trattare flussi ad elevato Reynolds. Il solutore impiegato per risolvere le equazioni di governo è STREAmS, un solutore validato su flussi canonici (canale supersonico, strato limite supersonico, interazione tra onda d'urto e strato limite) che implementa una formulazione ibrida tra schemi conservativi e ricostruzioni WENO. Tale strategia si rivela essere ottimale per trattare campi fluidodinamici caratterizzati dalla presenza di discontinuità e regioni turbolente. Per far fronte all'elevato costo computazionale richiesto, le simulazioni sono state lanciate sul cluster CINECA MARCONI 100. L'intero lavoro (lancio delle simulazioni e postprocessing dei risultati) è stato svolto in remoto sfruttando il linguaggio Fortran 90. Le simulazioni sono state lanciate per diversi angoli di attacco della capsula (0°, 5°, 10° e 15°) su un modulo IBM (Immersed Boundary Method) costituito da una griglia cartesiana di 10^9 nodi. L'obiettivo è quello di riprodurre e valutare come si comporta il flusso per diversi assetti della capsula. Le condizioni di inflow (Mach 2 e Reynolds 10^6) sono state impostate per ricreare le condizioni di volo che si verificano nella parte terminale della fase descent e sono state ricavate sulla base delle informazioni riportate nel lavoro AMELIA (ExoMars Atmospheric Mars Entry and Landing Investigations and Analysis). Le simulazioni sono state ottenute con successo, dimostrando la validità della procedura qui implementata nell'analisi degli aspetti aerodinamici che caratterizzano le fasi di rientro atmosferico. I risultati ottenuti arricchiscono la comprensione dell'argomento e supportano ulteriori studi riguardanti l'aerodinamica di capsula e relativo paracadute per diverse condizioni di volo.