Simulation numérique directe de la turbulence en présence d ... - ISAE

Introduction générale
Cette thèse s’inscrit dans le cadre de l’étude de la modélisation des phénomènes physiques
liés à la rentrée atmosphérique. Elle a été menée au sein du Commissariat à l’Énergie Atomique,
en étroite collaboration avec le département Aérodynamique et Propulsion de l’Institut Supérieur
de l’Aéronautique et de l’Espace (ISAE). Elle s’inscrit dans la continuité des travaux déjà réalisés
par Velghe [64]. Nous proposons d’abord dans cette introduction, outre une description du
contexte général, un panorama des principales études existantes sur le sujet. Nous verrons enfin
les différents objectifs fixés et nous finirons par donner l’organisation de ce mémoire.
Contexte général
Le développement et l’optimisation des boucliers thermiques des sondes d’exploration spatiale
sont devenus des aspects essentiels de la recherche liée à la rentrée atmosphérique. En effet,
lorsque le module traverse l’atmosphère, il subit un échauffement aérodynamique intense (vitesse
de rentrée supérieure à 5 km.s −1 ). Le frottement de l’air, fonction de l’atmosphère considérée,
permet un ralentissement de la sonde, entraînant une conversion de l’énergie cinétique en énergie
thermique. Il en résulte une augmentation soudaine de la température du matériau qui peut
atteindre 4000 K. Afin de supporter de telles conditions, l’emploi de matériaux composites thermostructuraux
de type Carbone/Carbone (C/C) s’explique par leur très bonne tenue mécanique
ainsi que les nombreuses réactions physico-chimiques s’y produisant. Même si elles absorbent une
grande partie du flux thermique, ces réactions chimiques (oxydation, sublimation) vont engendrer
une disparition de la matière, d’où une diminution de l’épaisseur du bouclier. Cette récession
s’effectue alors en interaction avec l’écoulement du fluide. Dans ces conditions, l’évolution structurelle
de la surface va modifier le comportement aérodynamique de la capsule en favorisant
les échanges pariétaux de masse et de chaleur ainsi que la transition laminaire/turbulent. Les
essais expérimentaux de caractérisation de flux thermique et de suivi structurel de la surface
ont permis de recréer partiellement les conditions d’une rentrée atmosphérique. Ils ont mis en
évidence la création d’une rugosité microscopique à la surface du bouclier en régime turbulent,
alors qu’en régime laminaire, la surface de ce même matériau reste lisse tout au long de l’essai.
De plus, la turbulence favorise les échanges thermiques à la paroi et amplifie donc le phénomène
d’ablation. Ce sont ces interactions fortes entre la turbulence et la formation de rugosités que
nous allons tenter de définir au cours de ce travail.
La conception du bouclier thermique est une contrainte forte pour dimensionner le module
spatial et pour définir la charge utile transportable. La simulation numérique directe de l’évolution
de la surface du bouclier thermique qui prend en compte le phénomène d’ablation est donc
nécessaire pour minimiser l’épaisseur de la protection thermique. L’interprétation des résultats
nécessitera alors la validation de la simulation de la turbulence implémentée.
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