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

Chapitre 1. Contexte scientifique 41
Pour autant, la DNS est toujours limitée à des domaines d’étude de taille modeste, d’autant
plus modeste que le nombre de Reynolds de l’écoulement est élevé. D’ailleurs, le nombre de
points requis pour une simulation est proportionnel à Re 9 4
T
. Elle est donc de fait cantonnée aux
laboratoires de recherche, car trop gourmande en ressources de calcul pour pouvoir traiter des
cas d’intérêt industriel. On l’utilise néanmoins de plus en plus dans le monde de la recherche
afin d’élucider des mécanismes physiques au sein des écoulements étudiés. Nous verrons dans
le chapitre 3 que le CEA dispose, pour ce genre de simulations, d’un super-calculateur capable
d’effectuer 1,05 million de milliards d’opérations par seconde (1,05 pétaflops). L’importance d’un
tel moyen de calcul est en parfaite adéquation avec l’utilisation de la DNS.
Dans le cas d’écoulements en milieux réactifs, la prise en compte des réactions chimiques est
un élément encore plus contraignant et ce pour trois raisons :
– le nombre de variables augmente avec le nombre d’espèces chimiques que l’on considère,
– l’échelle de temps et d’espace du problème est souvent plus large, l’échelle de temps de
la réaction chimique étant souvent plus petite que la plus petite échelle de temps de
l’écoulement,
– la turbulence influence le taux de production des réactions chimiques, pendant que la
chaleur libérée par réactions chimiques altère la turbulence et la propriété de transport de
chaque espèce.
Pour toutes ces raisons, les problèmes d’écoulement turbulent réactif sont en général trop compliqués
à résoudre par la DNS, mais celle-ci, avec un nombre limité d’espèces chimiques pour un
problème simplifié, peut déjà procurer une nouvelle vision d’ensemble intéressante.
Synthèse du chapitre
Ce chapitre présente au lecteur le contexte scientifique de cette étude. Une large revue des
phénomènes physiques se produisant lors d’une rentrée atmosphérique est abordée. Elle permet
de se faire une idée quant à la complexité et à l’interaction de ces évènements. Bien sûr, une
attention toute particulière est portée aux phénomènes se produisant au niveau de la paroi
du bouclier thermique. Les réactions chimiques homogènes et hétérogènes y sont également
évoquées, parmi lesquelles les réactions d’oxydation et de sublimation. Puis les conséquences de
l’apparition de rugosités à la surface du bouclier sur l’écoulement incident sont discutées.
Parallèlement, nous avons défini le cadre théorique de l’étude de la turbulence. Ceci pour
mettre en exergue les principales propriétés turbulentes que le code développé devra être en
mesure de simuler fidèlement. En effet, des essais de « jet de plasma » ont permis de caractériser
l’apparition de motifs particuliers de rugosités lors de l’ablation sous régime turbulent, les mêmes
profils demeurant lisses en régime laminaire.
L’objectif de ce travail étant de comprendre l’impact des structures tourbillonnaires sur la
formation des rugosités (qui sont de l’ordre de 50 µm), l’accès à une telle précision de résultats
nécessite l’utilisation de la simulation numérique directe (DNS). Les équations de la mécanique
des fluides et de la cinétique chimique que nous résolvons grâce à cette méthode de simulation
sont présentées dans le chapitre suivant.