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

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.