Simulations numériques directes de couches limites turbulentes hypersoniques avec des effets thermochimiques de non-équilibre

Direct numerical simulation of hypersonic turbulent boundary layers with thermochemical non-equilibrium effects

• Auteur / Autrice : Donatella Passiatore
• Direction : Paola Cinnella, Luca Sciacovelli, Giuseppe PASCAZIO
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie énergétique (AM)
• Date : Soutenance le 09/12/2021
• Etablissement(s) : Paris, HESAM en cotutelle avec Politecnico di Bari. Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Gestionale (Italia)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Dynamique des Fluides (Paris) - Laboratoire de Dynamique des Fluides (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Magin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paola Cinnella, Luca Sciacovelli, Giuseppe PASCAZIO, Eric Garnier, Gianluca Iaccarino, Abdellah Hadjadj, Taraneh Sayadi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Garnier, Gianluca Iaccarino

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique des fluides

Thèses et écrits académiques

Turbulence

Mots clés libres

Écoulements hypersoniques

Couches limites

Turbulence compressible

Effets à haute température

Non-Équilibre thermochimique

Hypersonic flows

Boundary layers

Compressible turbulence

High-Temperature effects

Thermochemical non-Equilibrium

Résumé

Les effets de haute température survenant lors des vols hypersoniques ont un impact sur les performances aérodynamiques d'un véhicule. En outre, la transition d'un régime laminaire à un régime turbulent peut se produire dans des conditions de vol réelles et est une préoccupation majeure. Tous ces phénomènes ont lieu dans la couche limite qui se développe sur le fuselage du véhicule. La prédiction du couplage bidirectionnel de la turbulence compressible et des processus thermochimiques déclenchés par la haute température est un sujet partiellement inexploré.Dans ce travail, le comportement des couches limites de plaques planes dans des conditions hypersoniques est examiné, au moyen de simulations numériques directes (SND). Des configurations avec parois adiabatiques et refroidies sont étudiées, du régime laminaire au régime entièrement turbulent. L’air est modélisé comme un mélange réactif à cinq espèces, dans le but final d'étudier l'effet de la chimie et de la relaxation vibrationelle des couches limites turbulentes fortement compressibles. On constate que l'activité chimique a un impact sur les propriétés de transport, les les grandeurs thermodynamiques et les fluctuations turbulentes, lorsque la température est suffisamment élevée pour déclencher une dissociation significative de l'oxygène moléculaire. Dans le cas d'un léger découplage entre les temps caractéristiques de l'écoulement et de la thermochimie, on constate que les corrélations classiques des quantités turbulentes sont en accord avec les résultats obtenus pour les gaz à bas Mach. Le transport turbulent redistribue les espèces chimiques et entretient le non-équilibre thermique. Les fluctuations de vitesse jouent un rôle majeur dans le mélange des gaz chauds et froids, ce qui conduit à des décalages de l'énergie vibrationelle par rapport à sa valeur d'équilibre; les quantités moyennes et fluctuantes thermodynamiques sont affectées par ce mécanisme.

High-temperature effects arising in hypersonic flights have a major impact on aerodynamic performance of a vehicle. In addition, transition from a laminar to a turbulent regime may occur in real flight conditions and represents a major concern. All these phenomena take place in the boundary layer developing on the vehicle fuselage. The accurate prediction of the two-way coupling of wall-bounded compressible turbulence and thermochemical processes triggered by the high temperature at stake is a subject partially unexplored.In this work, the behavior of spatially evolving flat-plate boundary layers in hypersonic conditions is inspected by means of Direct Numerical Simulations (DNS), ensuring no uncertainties deriving from deficiencies of turbulence closure models. Adiabatic and wall-cooled configurations are investigated, from the laminar up to the fully turbulent regime. A five-species air mixture model is considered, with the final aim of studying the effect of finite-rate chemistry and vibrational relaxation on high compressible turbulent flows. It is found that chemical activity has an impact on transport properties, thermal fields and turbulent fluctuations, when the temperature is high enough to trigger significant molecular oxygen dissociation. In the case of slight decoupling between characteristic times of flow and thermochemistry, classical correlations of turbulent quantities are found to be in accordance with the results obtained for low-Mach gases. Turbulent transport is found to redistribute chemical species and to sustain thermal nonequilibrium. Velocity fluctuations have indeed a major role in the mixing of hot and cold gases, which lead to the excitation of all energetic modes and lags in the vibrational energy with respect to its equilibrium value; accordingly, thermal mean and fluctuating quantities are affected by this mechanism.