Yüksek hızlı bir cismin önündeki şok, havayı durma noktasına kadar yavaşlatırken sıcaklığı binlerce dereceye çıkarır. Bu sıcaklıklarda hava artık ideal bir gaz gibi davranmaz: moleküller ayrışır, iyonlaşma başlar ve ısı transferi kimyasal duruma bağlı hâle gelir.
Fay ve Riddell'in 1958 tarihli çalışması, ayrışmış havada durma noktası ısı transferinin temel bağıntısını kurar ve sınır tabakanın kimyasal dengede ya da donmuş olması ile duvarın katalitik olup olmaması durumlarını ayrı ayrı ele alır [1].
Burun yarıçapı: aerodinamikle ısıl tasarımın çeliştiği yer
Durma noktası ısı akısı, burun yarıçapının karekökü ile ters orantılıdır. Pratikteki sonucu şudur: burnu sivrilttikçe sürükleme düşer ama ısı akısı fırlar.
Yeniden giriş kapsüllerinin küt burunlu olması bu yüzdendir — küt burun, şok dalgasını yüzeyden uzaklaştırır ve ısı akısını yönetilebilir düzeye indirir. Aerodinamik ve ısıl gereksinimler burada zıt yönde çalışır ve tasarım bir uzlaşmadır.
Katalitik duvar: ihmal edilen büyük belirsizlik
Ayrışmış atomların yüzeyde yeniden birleşmesi ek ısı salar. Yüzey malzemesi bu yeniden birleşmeyi ne kadar kolaylaştırıyorsa (katalitiklik) ısı yükü o kadar artar. Tam katalitik ve katalitik olmayan duvar varsayımları arasındaki fark, ısı akısında kat mertebesinde olabilir.
Bu bir modelleme tercihi değil, bir belirsizlik kalemidir ve raporlanmalıdır. İki uç varsayımla koşup aralığı vermek, tek bir değer vermekten çok daha dürüsttür. Bkz. kaç haneyle verilmeli notu.
Modelleme gereksinimleri
Şok çözünürlüğü. Isı akısı şok sonrası duruma bağlı olduğundan şokun yerinin doğru çıkması şarttır. Ağ şoka dik yönde sık olmalı; uyarlamalı sıklaştırma burada karşılığını fazlasıyla verir. Bkz. sıkıştırılabilir akış notu.
Duvar çözünürlüğü. Isı akısı duvardaki sıcaklık gradyanıdır; duvar fonksiyonuyla hesaplanmaz. y+ < 1 zorunludur. Bkz. ağ tipi notu.
Radyasyon. Yeterince yüksek hızlarda şok arkasındaki gaz kendisi ışıma yapar ve bu, toplam ısı yükünün ihmal edilemez bir kısmı hâline gelir. Bkz. radyasyon notu.
Eşlenik çözüm. Isıl koruma malzemesinin içindeki sıcaklık dağılımı soruluyorsa akışkan ve katı birlikte çözülmelidir; malzemenin ısıl ataleti, uçuş profili boyunca yüzey sıcaklığını doğrudan belirler. Bkz. eşlenik ısı transferi notu.
Kaynaklar
- 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.