SIMULATION OF HYPERSONIC FLOWS OF HE/H2 MIXTURES IN ICE GIANTS PLANETS ATMOSPHERIC ENTRY CONDITIONS

The characterisation of atmospheric-entry environments is essential for the design of spacecraft structures and thermal protection systems. During hypersonic entry, strong shocks convert kinetic energy into internal energy, activating molecular excitation, dissociation, and ionisation. These effects are especially severe for Uranus and Neptune, where high entry velocities and hydrogen–helium atmospheres produce strongly nonequilibrium and chemically stiff flows. This thesis develops numerical methods for simulating hypersonic H₂/He flows under Ice Giant entry conditions within SU2-NEMO, coupled with Mutation++ for thermodynamic, transport, chemical-kinetic, and energy-transfer properties. The first part implements a semi-implicit time-integration strategy based on sequential operator splitting. The governing equations are separated into an implicitly treated thermochemical step and an explicitly treated advection–diffusion step. This approach reduces the time-step limitations caused by stiff chemical and internal-energy source terms while preserving the existing spatial discretisation. Finite-difference and analytical source-term Jacobians are developed for the species and internal-energy equations, including heavy-particle and electron-driven processes. The implementations are verified through a hierarchy of test cases and then used to support the fully implicit Euler scheme. The second part investigates a reduced hybrid multi-temperature/state-to-state model for H₂/He mixtures. Heavy-particle translational and rotational modes are assumed to be in equilibrium, molecular hydrogen is described by a vibrational temperature, and selected electronic states of atomic and molecular hydrogen are transported as pseudo-species. This formulation retains detailed electronic excitation and nonequilibrium kinetics at a lower computational cost than a fully resolved state-to-state model. The framework is assessed through zero-dimensional thermal-bath calculations, one-dimensional post-shock relaxation problems, and two-dimensional hypersonic flow over a cylinder. Uranus and Neptune entry conditions are then simulated and compared with the GPU-based DAMISO solver. The results show overall satisfactory agreement in species distributions and thermal nonequilibrium. The remaining differences are mainly linked to the electron-temperature closure: SU2 assumes equilibrium with the vibrational temperature, whereas DAMISO couples electrons to the translational temperature. The study demonstrates the capability of the developed framework to simulate high-enthalpy H₂/He flows and highlights the importance of source-term linearisation, integration strategy, and electron-energy modelling.

La caratterizzazione del rientro atmosferico è essenziale per la progettazione delle strutture dei veicoli spaziali e dei sistemi di protezione termica. Durante l’ingresso ipersonico, forti onde d’urto convertono l’energia cinetica in energia interna, attivando l’eccitazione molecolare, la dissociazione e la ionizzazione. Questi effetti sono particolarmente gravi nel caso di Urano e Nettuno (i giganti ghiacciati), dove le elevate velocità di ingresso e le atmosfere di idrogeno ed elio producono flussi fortemente fuori equilibrio e chimicamente rigidi. La presente tesi sviluppa metodi numerici per la simulazione di flussi ipersonici di H₂/He nelle condizioni di ingresso nei giganti ghiacciati all’interno del codice SU2-NEMO, accoppiato con Mutation++ per le proprietà termodinamiche, di trasporto, cinetico-chimiche e di trasferimento di energia. La prima parte implementa una strategia di integrazione temporale semi-implicita basata sulla suddivisione sequenziale degli operatori. Le equazioni che governano il fenomeno sono separate in una fase termochimica trattata implicitamente e in una fase di advezione-diffusione trattata esplicitamente. Questo approccio riduce i limiti del passo temporale causati dai termini di sorgente chimici e di energia interna rigidi, preservando al contempo la discretizzazione spaziale esistente. Vengono sviluppati Jacobiani dei termini sorgente a differenze finite e analitici per le equazioni delle specie e dell’energia interna, inclusi i processi guidati da particelle pesanti ed elettroni. Le implementazioni vengono verificate attraverso una gerarchia di casi di prova e successivamente utilizzate a supporto dello schema di Eulero completamente implicito. La seconda parte analizza un modello ibrido ridotto multitemperatura/state-to-state per le miscele di H₂/He. Si ipotizza che i modi traslazionali e rotazionali delle particelle pesanti siano in equilibrio, l’idrogeno molecolare è descritto da una temperatura vibrazionale e stati elettronici selezionati dell’idrogeno atomico e molecolare vengono tattati come pseudo-specie. Questa formulazione mantiene l’eccitazione elettronica dettagliata e la cinetica di non equilibrio a un costo computazionale inferiore rispetto a un modello state-to-state completamente risolto. La corretta implementazione viene valutata tramite test 0D di thermal baths, problemi di rilassamento post-shock unidimensionali e flussi ipersonici bidimensionali su un cilindro. Vengono quindi simulate le condizioni di ingresso su Urano e Nettuno e confrontate con il risolutore DAMISO basato su GPU. I risultati mostrano una concordanza complessivamente soddisfacente nelle distribuzioni delle specie e nel non equilibrio termico. Le restanti differenze sono legate principalmente alla chiusura della temperatura degli elettroni: SU2 ipotizza un equilibrio con la temperatura vibrazionale, mentre DAMISO accoppia gli elettroni alla temperatura traslazionale.