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

Simulation numérique directe de la turbulence en présence
d’une paroi ablatable
Résumé
Lorsqu’une sonde rentre dans l’atmosphère à une vitesse hypersonique, le bouclier thermique
reçoit plusieurs centaines de MW.m −2 . Ce flux est absorbé par la paroi (composite C/C) grâce à
des réactions physico-chimiques (oxydation, sublimation, etc.). Les expériences de jet de plasma
révèlent que cette perte de matière s’accompagne de l’apparition de rugosités spécifiques lorsque
le régime de l’écoulement est turbulent. Dans ce contexte, cette thèse a pour objectif de caractériser,
à la plus petite échelle de la turbulence (échelle de Kolmogorov), l’interaction entre l’écoulement
turbulent et une paroi ablatable afin de mieux évaluer la formation de ces rugosités.
La première phase de ce travail a ainsi consisté en la validation physique des phénomènes turbulents
simulés, d’abord en configuration périodique puis en présence de surfaces de blocage
pariétal. Pour cela, nous avons développé et adapté à une configuration de présence de paroi,
une méthode de forçage spectral de la turbulence dont nous validons l’implémentation. Pour
cela, un traitement statistique des résultats a été élaboré pour prendre en compte le caractère
aléatoire de la turbulence. L’étude de l’évolution structurelle du matériau ablaté, couplé à un
champ de vitesse turbulent, démontre alors l’influence du nombre de Reynolds de turbulence et
de la taille des structures porteuses d’énergie, sur la vitesse de récession de la paroi et les motifs
rugueux observés.
Mots clés : Ablation, DNS, Forçage, Turbulence
Abstract
Direct numerical simulation of turbulence near
an ablatable wall
During the atmospheric re-entry the heatshield of the probe suffers a significant overheating.
The composite material undergoes an ablative process that consumes the heat flux by physicochemical
reactions (sublimation, oxidation, etc.) and induces the wall disappearance. In the case
of polycrystalline graphite, plasma jet experiments reveal a structural surface roughness like a
scalloped pattern when the flow is turbulent. The main idea of this study is to characterize the
interaction between a turbulent flow and an ablatable material at the Kolmogorov scale (the
smallest turbulent scale) in order to analyze roughness appearance. First, we have validated the
turbulence simulation for an infinite domain (periodic boundaries) and for the case of a solid
wall. To this extent, we have developed a new way to force turbulence in the spectral space which
is adapted to the solid wall configuration. To this extent, we have elaborated a statistic treatment
of results as turbulence is an unpredictable phenomena. Then, the evolution of the ablatable
surface in interaction with a turbulent flow proves that Reynolds number, wavenumber κ e and
flow temperature have a strong influence on wall recession velocity and roughness appearance.
Keywords : Ablation, DNS, Forcing, Turbulence