MARC

 008260126s2025        us                              c    eng  d
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■035    ▼a(MiAaPQ)umichrackham006399
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a620
■1001  ▼aPatel,  Meet.
■24510▼aHigh-Fidelity  and  Data-Driven  Modeling  of  Particle-Laden  Compressible  Flows  With  Applications  to  Plume-Surface  Interactions
■260    ▼a[Sl]▼bUniversity  of  Michigan▼c2025
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2025
■300    ▼a171  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  87-03,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Capecelatro,  Jesse  Alden.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--University  of  Michigan,  2025.
■520    ▼aSpacecraft  soft  landings  on  Earth,  the  Moon,  or  Mars  use  retropropulsive  rocket  engines.  These  engines  unleash  a  powerful  jet  of  gas  onto  a  loose  granular  regolith,  kicking  up  vast  clouds  of  dust  and  rocks.  This  not  only  creates  visually  opaque  conditions  during  descent,  but  it  also  carves  complex  craters  in  just  a  few  seconds.  The  situation,  typically  referred  to  as  plume-surface  interactions  (PSI),  poses  a  serious  threat  to  lander  stability,  instrumentation,  and  the  success  of  future  missions.Yet,  despite  the  importance  of  PSI,  the  ability  to  predict  or  control  PSI  remains  limited.  The  multiphase  fluid  dynamics  associated  with  PSI  is  complex.  It  involves  continuum  and  supersonic  flow  within  the  plume  and  often  a  rarefied  atmosphere  outside  of  the  plume.  Inviscid  hydrodynamics  close  to  the  nozzle,  while  turbulence-dominated  mixing  in  the  recirculation  zone  near  the  crater.  The  disperse  phase  varies  from  densely  packed  regolith  to  moderate  to  dilute  suspension  of  ejected  material.  This  makes  it  challenging  to  perform  experiments  or  simulations  even  in  a  controlled  environment.This  thesis  aims  to  advance  the  understanding  of  PSI  by  first  leveraging  data  from  a  recent  experimental  campaign  by  NASA  under  a  wide  range  of  nozzle,  ambient,  and  particle  conditions.  A  closed-form,  algebraic  expression  for  crater  dynamics  is  obtained  by  first  employing  robust  image  processing  tools,  followed  by  a  combination  of  symbolic  regression  approaches  to  extract  a  functional  form  for  the  crater  dynamics.  The  remainder  of  the  thesis  focuses  on  the  physics-based,  high-fidelity  numerical  simulations.The  numerical  simulations  are  conducted  within  a  volume-filtered  Euler-Lagrange  framework.  This  method,  which  was  recently  extended  for  compressible  flows,  accounts  for  finite-size  particles,  captures  shocks,  and  incorporates  particle-gas  coupling.  A  ghost-point  immersed  boundary  method  is  used  to  resolve  nozzle  geometry  on  simple  Cartesian  grids.  The  classical  ghost-point  immersed  boundary  method  is  advanced  to  avoid  spurious  oscillations  near  sharp  corners  using  a  simple  approach  based  on  local  filtering.  A  new  stability  criterion  is  identified  that  dictates  the  simulation  timestep  size  due  to  interphase  momentum  exchange  that  is  shown  to  become  more  severe  as  the  particle-to-fluid  density  ratio  increases.  This  is  particularly  important  in  Martian  and  Lunar  environments.  A  sensitivity  analysis  of  two-way  coupling  with  respect  to  filter  size  is  presented.  An  efficient  approach  to  reduce  self-induced  disturbances  to  increase  compatibility  for  sub-particle-scale  models,  demonstrating  a  significant  improvement.Two  configurations  are  demonstrated  relevant  to  the  PSI  conditions.  First,  simulations  of  a  sonic  jet  impinging  on  a  granular  bed  are  performed.  Simulations  and  analysis  show  that  the  pressure  ratio  is  responsible  for  the  crater  morphology.  Second,  simulations  of  shear-induced  erosion  of  a  granular  bed  are  performed  under  Martian  conditions.  Significant  two-way  coupling  is  observed  with  a  severe  turbulence  modulation.To  characterize  the  particle  ejecta  dynamics  and  isolate  particle  disturbances  on  the  gas-phase  shock  structures,  high-fidelity  simulations  of  particle-laden  underexpanded  jets  are  performed.  Significant  distortions  in  the  existing  shock  structure  are  observed  in  the  experiments.  A  semi-analytical  model  is  presented  to  quantify  the  extent  to  which  the  particles  shift  the  Mach  disk,  demonstrating  good  agreement  with  companion  experiments  performed  at  Johns  Hopkins  University.Special  attention  is  given  to  understanding  the  persistent  observations  of  streaks  during  the  Lunar  landings,  dating  back  to  the  Apollo  missions  (1960s).  A  mechanism  involving  Gortler  instabilities  is  shown  to  be  responsible  for  these  streaks.  The  number  of  streaks  is  predicted  using  landing  footage,  experimental  observations  from  NASA,  and  simulations.
■590    ▼aSchool  code:  0127.
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■650  4▼aFluid  mechanics
■653    ▼aMultiphase  flows
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■71020▼aUniversity  of  Michigan▼bAerospace  Engineering.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g87-03B.
■790    ▼a0127
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2025
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17359803▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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