Survey of European and Major ISC Facilities for Supporting Mars and Sample Return Mission Aerothermodynamics and Tests Required for Thermal Protection System and Dynamic Stability

In the frame of future sample return missions to Mars, asteroids, and comets, investigated by the European Space Agency, a review of the actual aerodynamics and aerothermodynamics capabilities in Europe for Mars entry of large vehicles and high-speed Earth reentry of sample return capsule has been undertaken. Additionally, capabilities in Canada and Australia for the assessment of dynamic stability, as well as major facilities for hypersonic flows available in ISC, have been included. This paper provides an overview of European current capabilities for aerothermodynamics and testing of thermal protection systems. This assessment has allowed the identification of the needs in new facilities or upgrade of existing ground tests for covering experimentally Mars entries and Earth high-speed reentries as far as aerodynamics, aerothermodynamics, and thermal protection system testing are concerned

Couplage entre la dynamique moléculaire et la mécanique des milieux continus

A l'échelle macroscopique, la mécanique des milieux continus (MMC) rencontre parfois des difficultés à représenter correctement le comportement d'un système physique, du fait d'une modélisation insuffisante des phénomènes. Ces faiblesses sont particulièrement marquées dans les systèmes où les interfaces, qui font apparaître des échelles d'espace très différentes, jouent un rôle prépondérant : microfluidique, écoulements polyphasiques etc.. Or, dans de nombreux domaines, et notamment dans le milieu pétrolier, les modèles macroscopiques existants semblent insuffisants pour pouvoir traiter correctement les cas proposés. Par ailleurs, la méconnaissance des paramètres d’entrée d'une simulation macroscopique tels que les propriétés de transport, introduit parfois une mauvaise représentation de l’ensemble des processus diffusifs. La simulation à l'échelle microscopique, en l'occurrence la dynamique moléculaire classique (DM), peut pallier certains problèmes rencontrés par les approches macroscopiques, en permettant de mieux appréhender les divers processus physiques, notamment aux interfaces. Elle permet également de suppléer l’expérimentation, en permettant de calculer pour un fluide modèle les propriétés physiques du mélange étudié. Ainsi, à partir des ces données générées, il est possible de construire des corrélations palliant aux différents manques. Néanmoins, de par son caractère microscopique, cette approche ne permet de simuler que des échelles sub-micrométriques qui sont bien éloignées de la taille indispensable à la plupart des cas réalistes, qu’ils soient académiques ou industriels. En couplant les deux démarches, macroscopique et microscopique, de manière directe ou indirecte, il est donc envisageable d’accéder à des informations que l’une ou l’autre des ces approches ne peut fournir seule.Hybrid atomistic-continuum methods allow the simulation of complex flows, depending on the intimate connection of many spatiotemporal scales : from the nanoscale to the microscale and beyond. By limiting the molecular description within a small localized region, for example near fluid/fluid or fluid/solid interfaces (breakdown of the continuum), these methods are useful to study large systems for reasonable times. Besides, there is a wide variety of applications for such hybrid methods, ranging from the micro- or nano-scale devices, and other industrial processes such as wetting, droplet formation, and biomolecules near interfaces. In this work, we present one scheme for coupling the Navier-Stokes set of equations with Molecular Dynamics. Among the existing alternatives to couple these two approaches, we have chosen to implement a domain decomposition algorithm based on the alternating Schwarz method. In this method, the flow domain is decomposed into two overlapping regions : an atomistic region described by molecular dynamics and a continuum region described by a finite volume discretization of the incompressible Navier-Stokes equations. The fundamental assumption is that the atomistic and the continuum descriptions match in the overlapping region, where the exchange of information is performed. The information exchange, requires the imposition of velocity from one sub-domain in the form of boundary conditions (Dirichlet)/constraints on the solver of the other subdomain and vice versa. The spatial coupling as well as the temporal coupling of the two approaches has been investigated in this work. To show the feasibility of such a coupling, we have applied the multiscale method to a classical fluid mechanics problems

Couplage entre la dynamique moléculaire et la mécanique des milieux continus

A l'échelle macroscopique, la mécanique des milieux continus (MMC) rencontre parfois des difficultés à représenter correctement le comportement d'un système physique, du fait d'une modélisation insuffisante des phénomènes. Ces faiblesses sont particulièrement marquées dans les systèmes où les interfaces, qui font apparaître des échelles d'espace très différentes, jouent un rôle prépondérant : microfluidique, écoulements polyphasiques etc.. Or, dans de nombreux domaines, et notamment dans le milieu pétrolier, les modèles macroscopiques existants semblent insuffisants pour pouvoir traiter correctement les cas proposés. Par ailleurs, la méconnaissance des paramètres d’entrée d'une simulation macroscopique tels que les propriétés de transport, introduit parfois une mauvaise représentation de l’ensemble des processus diffusifs. La simulation à l'échelle microscopique, en l'occurrence la dynamique moléculaire classique (DM), peut pallier certains problèmes rencontrés par les approches macroscopiques, en permettant de mieux appréhender les divers processus physiques, notamment aux interfaces. Elle permet également de suppléer l’expérimentation, en permettant de calculer pour un fluide modèle les propriétés physiques du mélange étudié. Ainsi, à partir des ces données générées, il est possible de construire des corrélations palliant aux différents manques. Néanmoins, de par son caractère microscopique, cette approche ne permet de simuler que des échelles sub-micrométriques qui sont bien éloignées de la taille indispensable à la plupart des cas réalistes, qu’ils soient académiques ou industriels. En couplant les deux démarches, macroscopique et microscopique, de manière directe ou indirecte, il est donc envisageable d’accéder à des informations que l’une ou l’autre des ces approches ne peut fournir seule.Hybrid atomistic-continuum methods allow the simulation of complex flows, depending on the intimate connection of many spatiotemporal scales : from the nanoscale to the microscale and beyond. By limiting the molecular description within a small localized region, for example near fluid/fluid or fluid/solid interfaces (breakdown of the continuum), these methods are useful to study large systems for reasonable times. Besides, there is a wide variety of applications for such hybrid methods, ranging from the micro- or nano-scale devices, and other industrial processes such as wetting, droplet formation, and biomolecules near interfaces. In this work, we present one scheme for coupling the Navier-Stokes set of equations with Molecular Dynamics. Among the existing alternatives to couple these two approaches, we have chosen to implement a domain decomposition algorithm based on the alternating Schwarz method. In this method, the flow domain is decomposed into two overlapping regions : an atomistic region described by molecular dynamics and a continuum region described by a finite volume discretization of the incompressible Navier-Stokes equations. The fundamental assumption is that the atomistic and the continuum descriptions match in the overlapping region, where the exchange of information is performed. The information exchange, requires the imposition of velocity from one sub-domain in the form of boundary conditions (Dirichlet)/constraints on the solver of the other subdomain and vice versa. The spatial coupling as well as the temporal coupling of the two approaches has been investigated in this work. To show the feasibility of such a coupling, we have applied the multiscale method to a classical fluid mechanics problems

Correlation for predicting Lennard-Jones fluid thermal conductivity and application to real fluids.

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Thermal conductivity of the Lennard-Jones fluid: an empirical correlation.

In this work, is presented an empirical correlation on the thermal conductivity of the Lennard-Jones fluid based on extensive non-equilibrium molecular dynamics simulations results (103 points). Finite size and cutoff radius effects are investigated and taken into account to develop the correlation. This last, composed of low density, residual and critical enhancement contributions, is built for a wide range of thermodynamics states, even at the vicinity of the critical point, and yields an average absolute deviation of 1.29 % compared to our simulations. In addition, a careful analysis of the different contributions to the microscopic flux is carried out which sheds light on the underlying mechanism of the results. Finally, are discussed the limitations of the proposed model when applied to real simple fluids and mixtures using a standard corresponding states scheme and the van der Waals one-fluid approximation

Survey of European and Major ISC Facilities for Supporting Mars and Sample Return Mission Aerothermodynamics and Tests Required for Thermal Protection System and Dynamic Stability

In the frame of future sample return missions to Mars, asteroids, and comets, investigated by the European Space Agency, a review of the actual aerodynamics and aerothermodynamics capabilities in Europe for Mars entry of large vehicles and high-speed Earth reentry of sample return capsule has been undertaken. Additionally, capabilities in Canada and Australia for the assessment of dynamic stability, as well as major facilities for hypersonic flows available in ISC, have been included. This paper provides an overview of European current capabilities for aerothermodynamics and testing of thermal protection systems. This assessment has allowed the identification of the needs in new facilities or upgrade of existing ground tests for covering experimentally Mars entries and Earth high-speed reentries as far as aerodynamics, aerothermodynamics, and thermal protection system testing are concerned

Couplage mécanique des milieux continus / Dynamique moléculaire

Dans ce travail, nous présentons un schéma de couplage spatial et temporel entre les équations de Navier-Stokes (échelle macroscopique) et la dynamique moléculaire (échelle microscopique). Le couplage de ces deux approches est basé sur la décomposition de domaine de Schwarz. Dans cette méthode, le domaine d'étude est décomposé en deux sous-domaines qui se recouvrent partiellement: un sous-domaine traité par dynamique moléculaire et l'autre sous-domaine où les équations de Navier-Stokes en formulation incompressible sont résolues par la méthode des volumes finis

Couplage entre la dynamique moléculaire et la mécanique des milieux continus

A l'échelle macroscopique, la mécanique des milieux continus (MMC) rencontre parfois des difficultés à représenter correctement le comportement d'un système physique, du fait d'une modélisation insuffisante des phénomènes. Ces faiblesses sont particulièrement marquées dans les systèmes où les interfaces, qui font apparaître des échelles d'espace très différentes, jouent un rôle prépondérant : microfluidique, écoulements polyphasiques etc.. Or, dans de nombreux domaines, et notamment dans le milieu pétrolier, les modèles macroscopiques existants semblent insuffisants pour pouvoir traiter correctement les cas proposés. Par ailleurs, la méconnaissance des paramètres d entrée d'une simulation macroscopique tels que les propriétés de transport, introduit parfois une mauvaise représentation de l ensemble des processus diffusifs. La simulation à l'échelle microscopique, en l'occurrence la dynamique moléculaire classique (DM), peut pallier certains problèmes rencontrés par les approches macroscopiques, en permettant de mieux appréhender les divers processus physiques, notamment aux interfaces. Elle permet également de suppléer l expérimentation, en permettant de calculer pour un fluide modèle les propriétés physiques du mélange étudié. Ainsi, à partir des ces données générées, il est possible de construire des corrélations palliant aux différents manques. Néanmoins, de par son caractère microscopique, cette approche ne permet de simuler que des échelles sub-micrométriques qui sont bien éloignées de la taille indispensable à la plupart des cas réalistes, qu ils soient académiques ou industriels. En couplant les deux démarches, macroscopique et microscopique, de manière directe ou indirecte, il est donc envisageable d accéder à des informations que l une ou l autre des ces approches ne peut fournir seule.Hybrid atomistic-continuum methods allow the simulation of complex flows, depending on the intimate connection of many spatiotemporal scales : from the nanoscale to the microscale and beyond. By limiting the molecular description within a small localized region, for example near fluid/fluid or fluid/solid interfaces (breakdown of the continuum), these methods are useful to study large systems for reasonable times. Besides, there is a wide variety of applications for such hybrid methods, ranging from the micro- or nano-scale devices, and other industrial processes such as wetting, droplet formation, and biomolecules near interfaces. In this work, we present one scheme for coupling the Navier-Stokes set of equations with Molecular Dynamics. Among the existing alternatives to couple these two approaches, we have chosen to implement a domain decomposition algorithm based on the alternating Schwarz method. In this method, the flow domain is decomposed into two overlapping regions : an atomistic region described by molecular dynamics and a continuum region described by a finite volume discretization of the incompressible Navier-Stokes equations. The fundamental assumption is that the atomistic and the continuum descriptions match in the overlapping region, where the exchange of information is performed. The information exchange, requires the imposition of velocity from one sub-domain in the form of boundary conditions (Dirichlet)/constraints on the solver of the other subdomain and vice versa. The spatial coupling as well as the temporal coupling of the two approaches has been investigated in this work. To show the feasibility of such a coupling, we have applied the multiscale method to a classical fluid mechanics problems.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

MASS EFFECT ON THERMODIFFUSION USING MOLECULAR DYNAMICS

The scope of this study is to improve the understanding of the thermal diffusion process on a microscopic scale by studying the mass effect on thermal diffusion factors. To achieve such a goal, Non Equilibrium Molecular Dynamics simulations are performed on binary mixtures of simple Lennard-Jones spheres for a large range of thermodynamic states. Mixtures for which only the mass between species differs, up to mass ratios of 50, are analyzed (isotope like mixtures). In equimolar mixtures, it is shown that the link between the thermal diffusion factors and the ratio between the difference in masses and the sum of masses holds approximately for all states studied. In addition, it is found that this link strongly depends on density but weakly on temperature. In nonequimolar mixtures, results indicate that the effect of mass ratio between species depends on the molar fraction. Using the data computed, a simple density dependent correlation is proposed to quantify the mass effect in Lennard-Jones binary mixtures. Finally, it is shown that, taking into account only the mass effect, this correlation is able to provide a reasonable estimation of thermodiffusion in n-pentane/n-decane mixtures which underlines intrinsic weakness of some of the usual thermodynamic models predicting thermodiffusion