Simulazione numerica di flussi rarefatti: dai limiti della fluidodinamica classica ai metodi computazionali

Lo studio dei flussi rarefatti riveste un ruolo fondamentale in molte applicazioni ingegneristiche: dal contesto aerospaziale alla nano fluidica in cui le dimensioni caratteristiche impediscono una trattazione continua del fluido. Quando il numero di Knudsen assume valori elevati, le equazioni di Navier-Stokes non sono più in grado di descrivere accuratamente il comportamento del gas e in particolar modo i fenomeni di trasporto e gli effetti di non-equilibrio. In questa tesi vengono analizzati i principali metodi numerici per la simulazione di flussi rarefatti, partendo dai limiti della modellazione continua e introducendo l’equazione di Boltzmann che rappresenta la descrizione matematica generale di qualsiasi fluido. Successivamente, vengono presentate le principali tecniche numeriche deterministiche e stocastiche, contestualizzandole, poi, attraverso applicazioni reali in ambito aerospaziale, quali la simulazione del rientro atmosferico e dei micro-propulsori per satelliti CubeSat. L’obiettivo della tesi è, dunque, fornire una panoramica dei vari metodi numerici, mettendo in evidenza vantaggi, limiti e campi di applicabilità.