Apparition de rugosités de surface lors de l'ablation d'un matériau composite en régime de transition entre laminaire et turbulent

par Xavier Lamboley

Thèse de doctorat en Chimie Physique

Sous la direction de Gérard Louis Vignoles et de Julien Mathiaud.

Soutenue le 11-12-2019

à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde) , en partenariat avec Laboratoire des Composites Thermostructuraux (Bordeaux) (laboratoire) .


  • Résumé

    Durant la phase de descente d'un véhicule de rentrée atmosphérique, des pressions et flux de chaleur très élevées (> 2000 K) sont atteints à la surface du corps de rentrée. Pour soutenir ces conditions extrêmes, des protections thermiques en matériaux composites carbone-carbone sont utilisés. De nombreux phénomènes vont avoir lieu à la surface du matériau en particulier des réactions chimiques hétérogènes d'oxydation et de nitruration du carbone et, dans les cas les plus extrêmes, à la sublimation de celui-ci. Ces réactions vont conduire à l'ablation de la protection thermique.Lors des différents régimes d'écoulement du laminaire au turbulent, une rugosité multi-échelle va se développer sur le matériau. Le régime laminaire est associé à une rugosité microscopique, due à l'architecture du matériau composite. Cet état de surface va alors favoriser localement le déclenchement de la transition laminaire-turbulent, et donner naissance à des structures macroscopiques, de l'échelle du centimètre. Enfin lorsque la turbulence de l'écoulement est pleinement développée, des ondulations régulières se développent, non plus localisées mais généralisées à la surface complète. Ces structures sont connues sous le nom de "coups de gouge" et sont typiquement de l'ordre du millimètre. Ces structures augmentent le flux de chaleur et la vitesse de consommation du matériau ; la compréhension de leur formation est un enjeu majeur pour une conception plus efficace des protections thermiques.Une approche numérique a été employée pour déterminer la stabilité d'une perturbation de la surface du matériau en fonction du régime d'écoulement, de la micro-rugosité du matériau, et de la réactivité de celui-ci. Le code SURRF, basé sur le logiciel open-source OpenFOAM, a été développé dans cette optique. Grâce à l'emploi du modèle de turbulence gamma-Re_th qui permet la modélisation de la transition laminaire-turbulent, nous déterminons les paramètres qui permettent le développement et la croissance des coups de gouge à la paroi du matériau.

  • Titre traduit

    Apparition of surface roughnesses during the ablation of a composite material in the transitional regime between laminar and turbulent


  • Résumé

    During the descent of an atmopheric reentry vehicle, very high pressure and heat flux (> 2000 K) is reached at the surface of the body. In order to withstand these extreme conditions, thermal protective systems are used. These are composed of carbon-carbon composite materials. Numerous phenomena will occur at the material surface, including heterogeneous chemical reactions of oxidation and nitriding of the carbon. In the most extreme cases, sublimation will also occur. These reactions will lead to the ablation of the thermal protection.Along the different flow regimes from laminar to turbulent, a multiscale roughness will be developed on the material. The laminar regime is associated with a microscopic roughness due to the architecture of the carbonated composite. This surface condition will then favour locally the laminar to turbulent transition, leading to macroscopic structures, of the centimeter scale. Finally when the turbulence is fully developed, regular waves appear no more localised but this time generalised to the whole surface. These characteristic patterns are known as "scallops". They are able to multiply the heat transfer and the recession rate by more than 2; therefore understanding their formation and behaviour is a necessity for a better design of the thermal protection.A numerical approach has been considered in order to identify the stability regimes of a surface perturbation according to the flow regime, the micro-roughness of the material, and its reactivity. The code SURRF, based on the open-source software OpenFOAM was developed in this context. Thanks to the turbulence model gamma-Re_th which models the laminar-turbulence transition, the parameters which enable the development and growth of the scallops at the material surface were determined.


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