Prise en compte du rayonnement dans les écoulements hyperenthalpiques

Coupling between aerodynamics and radiation in hyperenthalpic flows

• Auteur / Autrice : Alain Broc
• Direction : Jean-Pierre J. Lafon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique. Astrophysique et techniques spatiales
• Date : Soutenance en 1998
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne) - Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Alain Fuchs
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Pierre J. Lafon, Alain Fuchs, Raymond Brun, Mario Capitelli, John Edward Dyson, Véronique Joly, Claude Marmignon, Lionel Marraffa
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Raymond Brun, Mario Capitelli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Astrophysique

Plasmas (gaz ionisés)

Volumes finis, Méthodes de

Échauffement aérodynamique

Transfert de chaleur

Transfert radiatif

Ondes de choc

Aérodynamique hypersonique

Mots clés libres

Écoulement hors-équilibre

Rentrée atmosphérique

Étoiles évoluées

Simulation numérique

Résumé

L'astrophysique des écoulements hypersoniques fortement hors équilibres, telle qu'on la trouve comme mécanisme générateur de perte de masse dans les enveloppes circumstellaires d'étoiles évoluées, ou dans les enveloppes circumstellaires de binaires chaudes ou froides en interaction, trouve une contrepartie dans la physique très appliquée et proche des problèmes de l'industrie des écoulements dits ''hyperenthalpiques'' soit de plasmas collisionnels dans des tubes à chocs, soit autour de corps naturels ou artificiels pénétrant à très grande vitesse dans des atmosphères planétaires. Lors des rentrées atmosphériques, un choc détaché se forme à l'avant du véhicule spatial. Le plasma de la couche de choc ainsi formée est fortement collisionnel, et les flux de chaleur incidents à la paroi du véhicule sont dominés par les flux radiatifs provenant principalement du continuum. Il est alors nécessaire de prendre en compte le couplage entre l'écoulement et le rayonnement. Pour des nombres de Mach élevés, le plasma de la couche de choc est en déséquilibre thermochimique et radiatif. Les processus collisionnels (collisions entre particules lourdes et collisions électroniques) et radiatifs (émission et absorption de rayonnement) doivent être traités de façon complètement couplée. Contrairement aux hypothèses les plus fréquemment utilisées jusqu'ici, chaque niveau électronique de l'atome est considéré comme une espèce différente. Les processus collisionnels et radiatifs sont présents dans les équations de conservation de la masse des espèces sous forme de termes sources. Un terme de divergence du flux radiatif intervient dans l'équation sur l'énergie totale du mélange de gaz. Une méthode des volumes finis implicite est utilisée pour le traitement du système d'équations. Cela nécessite le calcul des Jacobiens numériques pour la linéarisation des termes sources chimiques. Un calcul de rentrée atmosphérique à 15 km/s a été effectué et met bien en évidence le déséquilibre thermochimique du plasma. Une diminution de la distance choc/paroi montre l'importance du rayonnement sur la structure de la couche de choc.

Astrophysics of highly non equilibrium hypersonic flows, as mass loss generator mechanism in circumstellar envelopes of evolved stars, or in circumstellar envelopes of hot or cold binary stars in interaction, find a counterpart in the applied physics and close to industrial problems related to the physics of hyperenthalpic flows of collisional plasma in shock tubes or around natural or man-made bodies entering at very high speeds in the planetary atmospheres. During atmospheric reentries, a bow shock is created at the front of the space vehicule. The plasma in the shock layer is highly collisional, and the wall heat fluxes are dominated by the radiative heat fluxes coming mainly from the continuum. It is necessary to take into account the coupling between the flow and radiation. For high Mach numbers, the plasma in the shock layer is in thermochemical and radiative nonequilibrium. Collisional (collisions between heavy particules and electronic collisions) and radiative (emission and absorption of radiation) processes have to be completely coupled. Counter to the most frequently used hypothesis, each atomic electronic level is considered as a distinct species. Collisional and radiative processes are present in the equations of species mass conservation as source terms. A radiative flux divergence term is present in the equation of total energy conservation of the gas mixing. An implicit finite volume method is used for the system of equations treatment. The calculation of numerical jacobian is necessary for the chemical source terms linearization. An atmospheric reentry calculation for a speed of 15 km/s has been performed, and shows up the plasma thermochemical nonequilibrium. A decrease of the distance between the shock and the body shows the importance of radiation on the shock layer structure.