Efeitos termodinâmicos fora do equilíbrio em camadas limites hipersônicas turbulentas

Uma camada limite turbulenta hipersônica, em evolução espacial, a Mach 12,48 com uma parede resfriada é analisada por meio de simulações numéricas diretas. Nas condições selecionadas, a conversão maciça de energia cinética em energia interna desencadeia fenômenos de não-equilíbrio térmico e químico. O ar é considerado como um misto reativo de cinco espécies, e um modelo de duas temperaturas é adotado para levar em conta o não-equilíbrio vibracional. O resfriamento da parede contrabalança parcialmente os efeitos do aquecimento por atrito, e o aumento de temperatura na camada limite excita modos de energia vibracional enquanto induz uma leve dissociação química do oxigênio. O não-equilíbrio vibracional é principalmente impulsionado pelo nitrogênio molecular, caracterizado por taxas de relaxamento mais lentas do que as outras moléculas na mistura. Os resultados revelam que o não-equilíbrio térmico é sustentado pela mistura turbulenta: eventos de varredura e ejeção redistribuem eficientemente o gás, contribuindo para a geração de um estado vibracionalmente subexcitado próximo à parede e um estado sobreexcitado na região externa da camada limite. O forte acoplamento entre turbulência e efeitos térmicos é quantificado definindo um indicador de interação. Uma estratégia de modelagem para o fluxo turbulento de energia vibracional é proposta, com base na definição de um número de Prandtl turbulento vibracional. A validade da forte analogia de Reynolds sob não-equilíbrio térmico também é avaliada. Fortes efeitos de compressibilidade promovem a troca de energia translacional-vibracional, mas nenhuma correlação preferencial foi detectada entre expansões/compressões e sobre-/subexcitação vibracional, ao contrário do que foi observado para configurações turbulentas não confinadas.