Development of Multiscale Simulation Framework for Thermal Protection System Ablation Analysis

Abstract

This thesis aims to independently perform ablation analysis at each nano and macro scale as a preliminary study to perform multiscale ablation analysis of thermal protection systems (TPS). Ablation analysis of carbon/phenolic composites using macro-scale finite element analysis and oxidation analysis of SiC using nanoscale molecular dynamics simulation are performed. Phenomena in ablation of carbon/phenolic composite such as in-depth heat conduction, pyrolysis, gas diffusion, surface heat flux, and recession are implemented in commercial finite element program ABAQUS using user subroutines written in Fortran. The developed code is compared with the open-source program PATO results for four one-dimensional test cases of various boundary conditions, and the results are well consistent. Naive 2D implementation is also conducted. The oxidation of SiC is analyzed at the nanoscale using molecular dynamics simulation. SiC exhibits complex oxidation properties due to its peculiar lattice structure. Here, the effect of surface orientation and the effect of temperature are analyzed. In the simulation, AOs (atomic oxygen) of 7 km/s collide on a SiC structure under various conditions. The difference in reactivity according to the surface orientation is analyzed through simulation using three surface orientation (100), (110), (111) structures with NVE condition, and the effect of temperature to oxidation is analyzed through simulation under NVT conditions with five different temperatures (600, 900, 1200, 1800, and 2000 K).

본 논문은 열차폐 구조물 (TPS)의 멀티스케일 삭마 해석을 위한 기초 연구로서 나노와 매크로 각 스케일에서 독립적인 분석을 수행하는 것을 목표로 한다. 유한 요소 해석을 이용한 매크로 스케일의 탄소/페놀 복합재의 삭마 분석과 나노 스케일의 분자 동역학 시뮬레이션을 이용한 SiC의 산화 분석을 수행한다. 내부 열전도, 열분해, 가스 확산, 표면 열유속 및 침식과 같이 탄소/페놀 복합재의 삭마에서 발생하는 다양한 현상들을 Fortran으로 작성된 user subroutine을 이용하여 상용 유한 요소 프로그램 ABAQUS에 적용한다. 개발된 코드는 다양한 경계 조건을 가지는 4가지 1차원 케이스에 대해 외부 프로그램 PATO의 결과와 비교하였으며 결과가 일치한다. 기본적인 2차원 상황에서의 적용 또한 수행된다. SiC의 산화는 분자 동역학을 사용하여 나노 단위에서 분석한다. SiC는 독특한 격자 구조로 인해 복잡한 산화 특성을 나타낸다. 본 논문에서는 표면 방향성과 온도의 영향을 분석한다. 7km/s의 산소원자가 다양한 조건에서 SiC 구조에 충돌하는 시뮬레이션을 수행한다. 표면 방향성에 따른 반응성의 차이는 NVE 조건에서 3개의 표면 방향 (100), (110), (111) 구조를 사용한 시뮬레이션을 통해 분석하고, 온도가 산화에 미치는 영향은 5 가지 온도 (600, 900, 1200, 1800 및 2000K)의 NVT 조건에서 시뮬레이션을 통해 분석한다.