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

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190 Chapitre 6. Simulation de l’ablation en turbulence confinée volumiques élevées (fibres) au sein d’une zone à faible densité (matrice). La répartition des fibres à l’intérieur de la matrice est illustrée sur la figure 6.22. Les masses volumiques considérées sont de 1350 kg.m −3 pour la matrice et de 1780 kg.m −3 pour les fibres. Figure 6.22 – Schématisation de la condition de surface simulant la présence d’un matériau composite 6.3.3.2 Visualisation des profils obtenus Les états de surfaces caractérisés en régime laminaire et turbulent sont représentés en la figure 6.23. Pour le cas du régime laminaire, on constate que le recul normalement uniforme de la paroi est modifié aux niveaux des fibres qui s’ablatent moins rapidement. Dans le cas du régime turbulent, les rugosités engendrées par l’agitation turbulente sont telles qu’il est difficile de distinguer les fibres de la matrice comme c’est le cas en régime laminaire. (a) Régime laminaire (b) Régime turbulent (cas S A 1 ) Figure 6.23 – États de surface simulés d’un échantillon de matériau composite 6.3.4 Interprétation des résultats 6.3.4.1 Influence de la turbulence sur la récession L’aspect essentiel confirmé par nos simulations est que le régime turbulent provoque l’apparition d’une rugosité spécifique qui est inexistante dans le cas laminaire. Ce phénomène traduit le rôle majeur de l’agitation turbulente sur la récession de la paroi. Ainsi, l’analyse des spectres
Chapitre 6. Simulation de l’ablation en turbulence confinée 191 étudiant l’influence du montant énergétique (cas Si A ) permet d’affirmer que le recul de la paroi, la hauteur des rugosités et la vitesse d’injection de l’espèce C 3 sont d’autant plus importants que l’agitation turbulente initiale u ′ est élevée. Cette dépendance est liée aux propriétés de la turbulence qui favorise les échanges de masse et de chaleur. Nos résultats sont différents de ceux obtenus par Velghe dans la mesure où ce dernier affirmait que la vitesse de récession du matériau ne dépendait pas de l’intensité de la turbulence. Cette divergence d’analyse trouve sûrement son origine dans les améliorations faites au cours de ce travail pour entretenir un état stationnaire de la turbulence. La situation est similaire pour ce qui est de l’influence du nombre d’onde κ e car au-delà d’un certain temps, les profils obtenus par Velghe étaient similaires malgré des valeurs de κ e différentes. En l’occurrence, même si le choix du nombre d’onde κ e ne modifie ni la vitesse récession de la paroi, ni la diffusion de C 3 , il semble néanmoins dimensionner la forme des rugosités créées. La comparaison d’écoulements initialisés avec le même spectre, mais à des températures de fluides différentes, atteste du rôle prépondérant de la valeur de T f sur l’évolution de la surface. En effet, plus T f est élevée, plus la récession de la paroi, la hauteur de rugosité et l’injection de l’espèce C3 dans le domaine sont importantes. 6.3.4.2 Caractérisation des motifs ablatés Les états de surface présentés permettent d’affirmer que plus les structures tourbillonnaires sont fines et plus la paroi ablatable est rugueuse. Cette dépendance de la densité des motifs rugueux au choix du nombre d’onde κ e , qui fixe la taille des structures porteuses d’énergie, a incité la mise en place de nouveaux outils de caractérisation. Nos simulations suggèrent effectivement que κ e dimensionne la densité de rugosités mais le traitement statistique de l’ensemble des surfaces reste encore à faire. Il permettra vraisemblablement de formaliser cette dépendance en bénéficiant d’un échantillonnage plus important. Le code EVEREST possède encore de nombreuses voies d’amélioration afin de se rapprocher au mieux des conditions réelles de la rentrée atmosphérique. Dans cette optique, nous avons montré la capacité du code à simuler la présence d’un matériau composite idéalisé en modélisant la présence de fibres et d’une matrice. Les résultats montrent que la fibre est consumée moins rapidement que la matrice même si les profils obtenus en régime turbulent témoignent davantage de l’apparition de rugosités de turbulence. Synthèse du chapitre Cette étude a permis de mettre en évidence le couplage fort qui existe entre l’agitation turbulente et l’état de surface d’un matériau ablatable. Les résultats de ces simulations bénéficient d’une assise physique plus réelle étant donnée les progrès effectués pour simuler un état turbulent stationnaire tout au long des calculs. Sans agitation turbulente, la paroi recule uniformément sous l’action de l’ablation. À l’inverse, la présence d’agitation turbulente entraîne l’apparition de rugosités à la paroi. Nous avons ainsi montré que la vitesse de récession ainsi que la hauteur des rugosités sont d’autant plus grandes que le montant énergétique est élevé et l’écoulement chaud. À l’issue de nos simulations, les hauteurs de rugosité atteintes sont de l’ordre de 10 −8 m. Ces résultats sont meilleurs que ceux de Velghe mais ils peuvent être encore améliorés en allongeant la durée des simulations.
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