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

24 Chapitre 1. Contexte scientifique
• Les réactions homogènes
Le modèle le plus simple pour une atmosphère terrestre, en l’absence d’ablation apportant
des produits carbonés et pour une température inférieure à 10 000K [44], est composé de deux
éléments (N,O) et de 5 espèces : N 2 , O 2 , NO, O et N. Entre 2500K et 4000K, le dioxygène
commence à se dissocier en atomes d’oxygène. Des recombinaisons de monoxyde d’azote (NO)
apparaissent. A partir de 4000K, le diazote commence à son tour à se dissocier ainsi que le
monoxyde d’azote. Les principales réactions chimiques sont données dans le tableau (Tab. 1.2).
L’espèce chimique nommée M i est un catalyseur de la i-ème réaction chimique. Il est formé de
l’une des espèces ou d’une combinaison des espèces présentes : N 2 , O 2 , NO, O ou N. Il disparaît
dans le bilan global, son rôle étant de favoriser la réaction chimique. M 1 , M 2 , M 3 sont des
catalyseurs fonctions des 5 espèces chimiques :
O 2 + M 1 ⇐⇒ 2O + M 1
N 2 + M 2 ⇐⇒ 2N + M 2
NO + M 3 ⇐⇒ N + O + M 3
NO + O ⇐⇒ N + O 2
N 2 + O ⇐⇒ NO + N
Table 1.2 – Principales réactions chimiques
M 1 = N 2 + O 2 + NO+ 5N+ 5O
M 2 = N 2 + 7O 2 + 7NO+ 30N+ 30O
M 3 = N 2 + O 2 + 22NO+ 22N+ 22O
Pour des températures supérieures à 9 000K, le gaz devient un plasma faiblement ionisé composé
de N, O mais également de O + , NO + , N + et d’électrons libres. Un modèle d’atmosphère
plus ou moins sophistiqué existe pour chaque planète explorée.
• Les réactions hétérogènes
Les réactions chimiques hétérogènes sont nombreuses considérant la gamme de températures
envisageables. Parmi elles, on peut citer les réactions occasionnées par l’injection de gaz issus de
la pyrolyse ainsi que les réactions de recombinaison des ions et des électrons. La pyrolyse et les
réactions d’ablation sont des réactions à bilan de masse non nul. Au cours du temps, le carbone
constitutif de la protection thermique réagit avec les molécules du milieu fluide, ce qui dégrade
le matériau. Les recombinaisons catalytiques se déroulent à bilan de masse nul. De plus, ces
réactions sont exothermiques et ont un impact sur le réchauffement de la surface du matériau.
Ceci dit, ce sont bien les réactions d’ablation qui vont particulièrement nous intéresser ici.
La prise en compte de l’ablation est un processus compliqué. Une vaste littérature existe sur
la chimie du carbone et une variété de modèles existe, parmi eux on citera [17], [43] et [69].
Les modèles d’ablation décrivent l’ensemble des phénomènes physico-chimiques concourant à la
disparition de matière en surface du matériau. Ils prennent en compte les phénomènes de diffusion
dans la couche limite (oxygène) et les produits chimiques formés à la paroi. La diffusion joue un
rôle extrêmement important puisqu’elle limite les taux de réaction à la surface, notamment pour
l’oxygène, suivant le régime de température. Pour cette étude on dissocie le processus d’ablation
en deux parties : oxydation et sublimation.