[논문 리뷰] Modeling high-speed gas-particle flows relevant to spacecraft landings: A review and perspectives

Jesse Capecelatro|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 06.

Particle Dynamics in Fluid Flows참고 문헌 103인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 달 및 행성 착륙 중 우주선 플룸-표면 상호작용(PSI)에 핵심적인 고속 압축성 기체-입자 유동의 모델링을 검토하고 발전시킨다. 18세기 실험부터 입자 해상도 시뮬레이션에 이르기까지 고전적이고 현대적인 저항 법칙을 통합하여, 특히 초음속 영역과 고밀도 입자 분산에서의 비정상적 효과인 추가 질량과 허위 난류에 대한 향상된 상관관계를 제공한다.

ABSTRACT

The interactions between rocket exhaust plumes and the surface of extraterrestrial bodies during spacecraft landings involve complex multiphase flow dynamics that pose significant risk to space exploration missions. The two-phase flow is characterized by high Reynolds and Mach number conditions with particle concentrations ranging from dilute to close-packing. Low atmospheric pressure and gravity typically encountered in landing environments combined with reduced optical access by the granular material pose significant challenges for experimental investigations. Consequently, numerical modeling is expected to play an increasingly important role for future missions. This article presents a review and perspectives on modeling high-speed disperse two-phase flows relevant to plume-surface interactions (PSI). We present an overview of existing drag laws, with origins from 18th-century cannon fire experiments and new insights from particle-resolved numerical simulations. While the focus here is on multiphase flows relevant to PSI, much of the same physics are shared by other compressible gas-particle flows, such as coal-dust explosions, volcanic eruptions, and detonation of solid material.

연구 동기 및 목표

• 우주선 착륙 중 플룸-표면 상호작용(PSI)에서 고속, 압축성, 이상태 유동에 대한 종합적인 모델링 부족을 보완하기 위해.
• 역사적 실험에서 현대의 입자 해상도 시뮬레이션에 이르기까지 광범위한 레이놀즈 수 및 마하 수 범위에서 기존의 저항 법칙을 통합하기 위해.
• 희박한 밀도에서 중간 밀도에 이르기까지의 입자 분산에서 초음속 조건 하에서의 상호작용 힘 상호작용 예측 정확도를 향상시키기 위해.
• 충격-입자 상호작용 중 추가 질량 및 허위 난류와 같은 비정상적 효과를 통합하기 위해.
• 미래 임무 설계를 지원하기 위해 PSI 위험 완화를 위한 검증된 물리 기반 모델을 제공하기 위해.

제안 방법

• 18세기 캐논볼 실험에서부터 최근의 입자 해상도 직접 수치 시뮬레이션(PR-DNS)에 이르기까지 고전적이고 현대적 저항 상관관계의 체계적 검토.
• 서브음속(Ma < 1), 초음속(1 ≤ Ma < 1.75), 초음속(1.75 ≤ Ma) 영역에 맞춘 마하 수 의존성 있는 저항 모델 개발 및 통합.
• 밀도 높은 분산에서 입자 뭉치 효과를 반영하기 위해 Sangani(1991)의 요인을 사용한 체적 분율 보정 도입.
• Tang 등(2016)의 모델에서 입자 이동성에 대한 레이놀즈 수 의존성 보정을 입자 온도(Re_T)를 통해 구현하여 동적 입자 거동 반영.
• DSMC 및 초음속 DNS 데이터에서의 개선 사항을 반영하여 Loth(2008)의 저항 상관관계를 보완하여 희박성 및 압축성 유동 영역을 커버하기 위해 적응.
• Knudsen 수 기반 보정(fKn 등)을 사용한 하이브리드 모델 구현으로 연속체 및 희박 유동 처리를 전환 영역에서 통합.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주선 플룸-표면 상호작용에 관련된 레이놀즈 수 및 마하 수 전 범위에서 기존의 기체-입자 유동 저항 법칙은 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ2 고속 유동에서 충격-입자 상호작용 중 주요 비정상적 효과인 추가 질량 및 허위 난류는 무엇인가?
• RQ3 입자 농도와 이동성은 초음속, 압축성 유동에서 효과적 저항에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 현대의 입자 해상도 시뮬레이션 및 고정밀 유동 시뮬레이션 결과를 통합함으로써 고전적 저항 상관관계는 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 고속 PSI에서 연속체에서 희박 유동 영역으로의 전이 영역을 체계적으로 커버하기 위해 저항 모델은 어떻게 확장될 수 있는가?

주요 결과

• Loth 등(2021)의 저항 상관관계는 희박성에서 압축성 유동 영역으로의 전이를 성공적으로 캡처하며, 연속체 및 압축성 항목을 조합한 하이브리드 형식을 사용한다.
• 초음속 유동(Ma > 1)에서는 마하 수 의존성 있는 블렌딩 함수를 사용하여 희박성 지배 영역과 압축성 지배 영역 사이의 전이를 수행한다.
• Tang 등(2016)의 모델에 입자 온도(Re_T)를 통합함으로써 이동성이 높고 밀도가 높은 입자 분산에서의 저항 예측 정확도가 크게 향상되었으며, 특히 체적 분율(φ_p ≥ 0.1)이 높을 경우 두드러진다.
• Sangani 등(1991)의 체적 분율 보정인 (1 + 2φ_p)/(1 − φ_p)^2는 고밀도 밀집 분산에서의 저항 증가를 효과적으로 캡처한다.
• Ma > 1.75 영역의 모델은 무효로 판단되어 고속 유량 영역에서의 추가 검증이 필요함을 시사한다.
• 입자 해상도 시뮬레이션 결과, 충격-입자 상호작용 중 허위 난류 및 추가 질량 효과가 특히 밀도가 높고 마하 수가 큰 유동에서 중요해진다.