L'urto davanti a un corpo ad alta velocità decelera l'aria fino al punto di ristagno e ne porta la temperatura a migliaia di gradi. A quelle temperature l'aria non si comporta più come gas ideale: le molecole si dissociano, inizia la ionizzazione, e lo scambio termico diventa dipendente dallo stato chimico.
Il lavoro del 1958 di Fay e Riddell stabilisce la relazione fondamentale per lo scambio termico al punto di ristagno in aria dissociata, trattando separatamente i casi di strato limite in equilibrio chimico o congelato, e di parete catalitica o non catalitica [1].
Raggio di naso: dove aerodinamica e progetto termico confliggono
Il flusso termico al punto di ristagno varia con l'inverso della radice quadrata del raggio di naso. La conseguenza pratica: affilare il naso abbassa la resistenza ma manda su il flusso termico.
È per questo che le capsule di rientro sono tozze — un naso tozzo allontana l'urto dalla superficie e riporta il flusso termico a un livello gestibile. Requisiti aerodinamici e termici tirano qui in direzioni opposte, e il progetto è un compromesso.
Catalicità di parete: la grande incertezza trascurata
Gli atomi dissociati che ricombinano sulla superficie rilasciano calore aggiuntivo. Più il materiale di superficie favorisce quella ricombinazione (la sua catalicità), più alto è il carico termico. La differenza fra le ipotesi di parete pienamente catalitica e non catalitica può valere un fattore nel flusso termico.
Non è una preferenza di modellazione ma una voce di incertezza, e va riportata. Eseguire entrambi gli estremi e dichiarare l'intervallo è assai più onesto che dichiarare un valore solo. Si veda la nota sulle cifre significative.
Requisiti di modellazione
Risoluzione dell'urto. Poiché il flusso termico dipende dallo stato a valle dell'urto, la posizione dell'urto deve venire giusta. La griglia deve essere fitta in direzione normale all'urto; l'infittimento adattivo qui si ripaga ampiamente. Si veda la nota sul flusso comprimibile.
Risoluzione a parete. Il flusso termico è il gradiente di temperatura a parete; non lo calcola una funzione di parete. y+ < 1 è obbligatorio. Si veda la nota sul tipo di cella.
Irraggiamento. A velocità sufficientemente alte il gas dietro l'urto irraggia per conto proprio, e ciò diventa una parte non trascurabile del carico termico totale. Si veda la nota sull'irraggiamento.
Soluzione coniugata. Se la domanda riguarda la distribuzione di temperatura dentro il materiale di protezione termica, fluido e solido vanno risolti insieme; l'inerzia termica del materiale fissa direttamente la temperatura superficiale lungo il profilo di volo. Si veda la nota sullo scambio termico coniugato.
Riferimenti
- Fay, J. A. & Riddell, F. R. (1958). Theory of stagnation point heat transfer in dissociated air. Journal of the Aerospace Sciences, 25(2), 73–85. DOI: 10.2514/8.7517
- Modest, M. F. & Mazumder, S. (2021). Radiative Heat Transfer, 4th ed. Academic Press. ISBN 978-0-323-98406-5.