Ablation de matériaux carbonés sous très haut flux : étude multiphysique de l'interaction matériau/écoulement

Ablation of carbonaceous materials under high flux : multi physics study of the interaction between the material and the flow

• Auteur / Autrice : Cyril Levet
• Direction : Gérard Louis Vignoles
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-chimie de la matière condensée
• Date : Soutenance le 05/04/2017
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Composites Thermostructuraux (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Michel Vardelle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérard Louis Vignoles, Michel Vardelle, Pénélope Leyland, Bertrand Aupoix, Stéphane Bernard, Julien Mathiaud, Jacques Couzi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pénélope Leyland, Bertrand Aupoix

Mots clés

Mots clés contrôlés

Marches aléatoires (mathématiques)

Fours à arc

Plasmatrons

Simulation par ordinateur

Effets de la chaleur

Composites à fibres de carbone

Ablation (aérothermodynamique)

Mots clés libres

Ablation

Carbone

Marches aléatoires Monte-Carlo

Marching cube simplifié

Plasmatron

Four à image d’arc

Ablation

Carbon

Monte Carlo random walk

Simplified Marching Cube

Plasmatron

Arc image furnace

Résumé

La nécessité de protéger les véhicules de rentrée atmosphérique a conduit à la sélection des matériaux carbonés pour les applications les plus extrêmes [1, 2]. Au vu du coût prohibitif des essais en conditions réelles [1], la simulation permet de prédire et comprendre le comportement du matériau lors de la rentrée atmosphérique. Les modèles de l’ablation du carbone n’ont cessé de se complexifier [1, 3, 4, 5, 6]. Cependant, ils ne donnent pas de descriptions fines de la surface du matériau. C’est pour remédier à cela que plusieurs études ont été lancées au Laboratoire des Composites Thermostructuraux (LCTS) [7, 8]. Le Plasmatron du VKI est le moyen à haut flux de chaleur et à haute vitesse utilisé pour cette thèse [9, 10]. Dans cette étude, des échantillons sont testés sous des flux de chaleur allant jusqu’à 2800 kW/m2. Ces essais sur le composite 3D carbone/carbone (Cf/C) ont mené à des résultats très intéressants sur la morphologie du composite lors de l’ablation. Le four à image d’arc est le moyen à très haut flux de chaleur et à convection nulle utilisé au cours de cette thèse. Des flux de chaleurs de 10 MW m-2 ont pu être appliqués à des échantillons de 3D Cf/C. Les observations MEB couplées à la reconstruction numérique du four ont permis de noter les différences entre l’oxydation et la sublimation du composite. Un code de diffusion/ablation est développé depuis plusieurs années au LCTS [7, 11, 12, 13, 14] : AMA. Il permet de simuler l’ablation d’un matériau en carbone. Ce code a été validé par J. Lachaud sans prise en compte de l’écoulement [7]. Un nouveau couplage avec le code Open-Foam [15] a été développé et validé. Le code AMA a été utilisé afin de déterminer les paramètres influençant la rugosité du 3D Cf/C sous un écoulement laminaire.

Carbonaceous materials have been selected to protect atmospheric re-entry vehicles under the most extremes conditions [1, 2]. Because real flight experiments are very expensive [1], simulation is an important means to predict and understand the material behaviour during atmospheric re-entry. The models of carbonaceous materials ablation have become more and more complex [1, 3, 4, 5, 6]. However, they are not accurate to describe finely the material surface. To find a solution to this problem, several studies have been conducted at the Laboratoire des Composites Thermostructuraux (LCTS) [7, 8]. The Plasmatron of the VKI is the experimental means which has been used in this doctoral thesis. It can reach moderately high heat flux under high speed flow [9, 10]. In this study, several samples have been tested under an heat flux up to 2800 kW/m2. These tests on the 3D carbon/carbon (Cf/C) composite have given very interesting results about the material morphology during ablation. An arc image furnace, which can reach very high heat flux but without important flow field, has been used during this doctoral study. 3D Cf/C samples have been ablated under heat flux up to 10 MW m-2. SEM observations with the help of a numerical simulation of the furnace, have put the differences between oxidation and sublimation forward. A diffusion/ablation code has been developed at LCTS for several years [7, 11, 12, 13, 14] : AMA. This piece of software is designed to simulate the ablation of a carbonaceous material. It has been validated without flow field by J. Lachaud [7]. A new coupling method between AMA and Open-Foam [15] has been developed and validated. Finally, AMA has been used to point out the parameters which drive the 3D Cf/C surface recession under laminar flow field.