Modélisation de la turbulence en présence de rugosité et de soufflage en régime hypersonique

Turbulence modeling for hypersonic boundary layers with blowing and roughness effects

• Auteur / Autrice : Yann Marchenay
• Direction : François Chedevergne, Marina Olazabal-Loumé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 16/12/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Énergétique et dynamique des fluides (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales (France). Département Multi-Physique pour l'Energétique (2017-....)
• Jury : Président / Présidente : Éric Goncalves
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Chedevergne, Marina Olazabal-Loumé, Éric Goncalves, Héloïse Beaugendre, Rémi Manceau, Olivier Chazot
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Héloïse Beaugendre, Rémi Manceau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence

Aérodynamique hypersonique

Couche limite

Rugosité

Mots clés libres

Hypersonique

Soufflage

Couche limite

Rugosité

Blowing

Roughness

Hypersonic

Boundary layer

Résumé

Lors de la rentrée atmosphérique d’un véhicule hypersonique, l’écoulement présente une onde de choc détachée enveloppant le véhicule et une couche limite visqueuse au voisinage de la paroi qui conduit à son échauffement. Dans les basses couches de l’atmosphère, l'écoulement évolue d'un régime laminaire à un régime turbulent en raison de l’augmentation du nombre de Reynolds. L’échauffement de la paroi conduit à la détérioration du matériau sous l’effet de l’ablation et de réactions chimiques susceptibles de modifier l’état de surface. Dans le cas d’un écoulement pleinement turbulent, l'effet des rugosités de paroi se traduit par une augmentation du frottement et des échanges de chaleur. Actuellement, on dispose de modèles avec différents degrés de sophistication et de validation qui reproduisent cet effet par augmentation de la turbulence en proche paroi. Concernant le soufflage en paroi, des modèles existent qui permettent de reproduire l'effet d'injection de fluide à la paroi sur le développement de la turbulence. L’objectif de cette thèse est de mettre au point un modèle permettant de tenir compte d'effets conjoints/couplés de rugosité et de soufflage adapté à des approches RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) de la turbulence, par exemple modèle à deux équations de type k-ω;, dans le contexte d’écoulements hypersoniques. La thèse se déroulera en 3 ans dans le cadre d’une collaboration entre le CEA-CESTA (à proximité de Bordeaux) et l’ONERA-DMAE (Toulouse). Le déroulement se fera comme suit: - Tout d'abord une revue bibliographique la plus exhaustive possible sera entreprise sur la problématique des parois rugueuses avec soufflage. Cette revue doit aboutir à l'élaboration d'une base de données détaillée. On distinguera notamment les écoulements subsoniques incompressibles des écoulements supersoniques et hypersoniques. A partir de cette base de données, la seconde étape de la thèse sera la construction d'un modèle de rugosité/soufflage. - Dans un premier temps, on adoptera une approche avec un couplage faible entre les effets de rugosité et de soufflage. Ainsi, les modèles de rugosité actuels seront couplés à des conditions limites de soufflage pour voir dans quelle mesure une telle approche peut s'appliquer. - Ensuite, on considèrera des approches où les effets de soufflage, notamment sur la turbulence de proche paroi, seront pris en compte en supplément des effets de rugosités dans la formulation du modèle de turbulence. Enfin, on envisage le développement d'un modèle directement à partir de la base de données collectée, dans lequel les effets de rugosité et de soufflage sont fortement couplés. Les différents modèles identifiés seront développés dans un code de couche limite (code CLICET de l'ONERA) puis dans un solveur Navier-Stokes (code CEA). Une phase de validation sur des cas pertinents d'application sera ensuite menée.

During atmospheric re-entry, hypersonic vehicle undergo severe heating caused by the presence of a detached shock wave wrapping the vehicle and the growth of a viscous boundary layer near the wall. In the lower atmospheric layers, the flow move from a laminar regime to a turbulent one due to the increase in the Reynolds number. The heating of the wall leads to material deterioration driven by chemical reactions and ablation modifying the surface condition. In the case of a fully turbulent flow, the effect of the wall roughness results in an increase of the friction and the heat transfers. Currently, there are models with different levels of fidelity that reproduce this effect by increasing turbulence near the wall. Regarding wall blowing, models exist and can reproduce the effect of fluid injection on the turbulence development. The purpose of this study is to develop a model adapted to RANS approaches, for example two-equation model, considering coupled effects of roughness and blowing in the context of hypersonic flows. The thesis (3 years) is part of a collaboration between the CEA-CESTA (Bordeaux) and the french national aerospace research center ONERA. The conduct would be as follows : - firstly, a literature review as exhaustive as possible will be performed on the problematic of rough wall with blowing. This review should lead to the development of a detailed database. From this database, the next step of this thesis will be the construction of roughness/blowing model. - First, we will assume an approach proposing a weak coupling between the effects of roughness and blowing. Thus, the current roughness models will be coupled with blowing conditions to identify the limitations of such an approach. - Then, we will consider approaches where blowing effects are taken into account in the formulation of the turbulence model in addition to the effects of roughness. Finally, this thesis should lead to the construction of a model in which the effects of roughness and blowing are strongly coupled. The different proposed models will be developed in a boundary layer code (ONERA's CLICET code) and then in a Navier-Stokes solver(CEA's code). A validation step on relevant cases will be conducted.