Thèse soutenue

Simulation haute-fidélité de la transition vers la turbulence de couches limites hypersoniques. Contributions à l’étude des effets des rugosités et des structures non-modales

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Auteur / Autrice : Clément Caillaud
Direction : Éric GoncalvesGuillaume Lehnasch
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
Date : Soutenance le 01/07/2022
Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
Jury : Président / Présidente : Lutz Lesshafft
Examinateurs / Examinatrices : Ludovic Hallo, Peter Jordan, Taraneh Sayadi
Rapporteurs / Rapporteuses : Paola Cinnella, Jean-Christophe Robinet

Résumé

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Les objets hypersoniques en vol dans l’atmosphère se déplacent à des vitesses importantes, générant des efforts thermiques extrêmes et posant de véritables limites technologiques. À ces vitesses, lorsque de la turbulence se déclenche le long de la paroi, le flux de chaleur imposé peut augmenter d’un facteur trois à huit, mettant en jeu l’intégrité du véhicule. Pour réduire ces efforts thermiques les objets hypersoniques présentent des géométries courbes et des protections thermiques ablatives qui induisent la présence de nombreuses rugosités. Ces effets géométriques augmentent significativement la complexité du processus de transition et son étude. Ainsi, dans l’objectif d’optimiser la conception des véhicules hypersonique, la compréhension de ces mécanismes de transition à la turbulence de la couche limite est essentielle.Devant ces considérations, ce travail de recherche présente un ensemble d’outils et de résultats permettant de simuler et décrire les mécanismes physiques en jeux dans le déclenchement de la turbulence. Trois années de réflexions ont amené à la construction d’un code de simulation haute-fidélité efficace, permettant de réaliser des calculs précis d’écoulements hypersoniques, multi-espèces, sur des géométries courbes. Un jeu de méthodes numériques dédié à l'étude des dynamiques linéaires, non-linéaires et des opérateurs linéaires globaux a été intégré et sert à apporter des informations sur la physique observée.Avec ces outils les simulations DNS réalisées se sont intéressées aux scénarios « naturels » de transition à la turbulence pour des couches limites hypersoniques soumises à des déformations que pourraient induire des rugosités d’ablation ou de la courbure. Ces déformations sont rarement étudiées, bien qu’elles représentent une composante essentielle des écoulements réalistes. Ainsi, la dynamique complexe des scénarios étudiés est décomposée à l’aide d’outils avancés d’analyse de données et de traitement du signal. Cette décomposition met alors en avant les principaux mécanismes physiques en jeu et le chemin suivi par la dynamique de l’écoulement jusqu’à la turbulence.En conclusion, ces études des effets de déformations ont permis d'apporter des résultats originaux sur la physique fine de la transition à la turbulence hors du cadre canonique. Principalement, des variations importantes du scénario de transition avec la déformation ont été retrouvées. De nombreux modes émergeant du forçage bruit blanc sont identifiés et les effets notables de la déformations sur les étapes de réceptivité, de croissance modale et de non-linéarité des mécanismes de transition sont mis en lumières. Pour ces effets, une première description détaillée des mécanismes en jeu est proposée. Les résultats obtenus soulignent alors la difficulté d’établir un critère général de prédiction de la transition et servent à la compréhension de la dynamique de la couche limite, pour des configurations toujours plus complexes.