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

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192 Chapitre 6. Simulation de l’ablation en turbulence confinée Parallèlement, nous avons vu que le choix de κ e qui détermine la taille des structures porteuses d’énergie influence la manière dont les rugosités se forment à la surface. Afin de caractériser le lien entre le nombre d’onde κ e et la densité rugueuse observée, des pistes de réflexion ont été avancées. Cependant, elles nécessitent la mise en place d’un traitement statistique des pics caractéristiques des parois rugueuses qui pourra faire l’objet d’études futures.
Conclusion générale Cette thèse s’inscrit dans le cadre des travaux menés par le CEA sur le phénomène d’ablation. Elle tire son origine de la comparaison des états de surfaces expérimentaux obtenus, avec un jet de plasma ou un arc électrique, en régime laminaire et turbulent. L’ablation du matériau composite, initialement lisse, développe une rugosité en régime turbulent tandis qu’en régime laminaire la surface reste plane. La modélisation de l’interaction entre un écoulement turbulent et une paroi ablatable est réalisée grâce à la simulation numérique directe. L’objectif final de la thèse est double : optimiser le dimensionnement des boucliers thermiques des sondes spatiales et proposer des modèles de fermeture prenant mieux en compte le phénomène d’ablation. D’abord, nous avons procédé à une large revue des phénomènes physiques se produisant lors d’une rentrée atmosphérique. La phénoménologie relative à l’activité énergétique et chimique des parois du bouclier thermique a été présenté afin d’introduire les principaux concepts analysés tout au long de cette étude, parmi lesquels, l’agitation turbulente, la cascade énergétique de Kolmogorov, l’approche spectrale ou bien encore les échelles de longueurs caractéristiques. Les équations de la mécanique des fluides de Navier-Stokes sont résolues de manière directe, sans modélisation, afin de considérer la totalité de la gamme des échelles de longueurs turbulentes. La nature fortement aléatoire des écoulements turbulents a aussi exigé l’élaboration d’un traitement statistique des résultats. Le choix de la discrétisation spatiale s’est porté vers une résolution par une méthode de différences finies, s’appuyant sur des schémas compacts d’ordre 6 de Lele, afin de disposer d’un haut degré de précision et d’une meilleure représentation des petites échelles (notamment celle de Kolmogorov). En ce qui concerne la discrétisation temporelle, un schéma basé sur la méthode de Runge-Kutta d’ordre 4 est employé. Chacune de ces discrétisations a exigé l’établissement de critères de résolution capables de garantir la stabilité numérique du code. Les simulations numériques menées au cours de cette thèse ont été effectuées sur un calculateur de très haute performance mis à disposition par les équipes du CEA et de Bull. Dans ce cadre, l’intégration de la librairie FFTW a considérablement accéléré le passage entre espace spectral et physique, améliorant de fait les étapes d’initialisation de la turbulence, de forçage et d’extraction des paramètres spectraux. Plusieurs configurations d’écoulements ont été étudiées à l’aide de spectres de turbulence de type Passot-Pouquet ou Von-Kármán-Pao dans le but d’identifier l’influence de l’agitation turbulente et du nombre d’onde relatif aux structures porteuses d’énergie. D’abord les propriétés intrinsèques de la THI, à savoir l’homogénéité et l’isotropie, ont été vérifiées. Ensuite, nous avons validé l’évolution temporelle de paramètres tels que l’énergie cinétique turbulente k, le taux de dissipation turbulente ε et les échelles de longueurs caractéristiques grâce à leurs expressions 193
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