Influence du glissement pariétal sur le sillage d'un corps épais : application à la rentrée atmosphérique de débris spatiaux

Influence of slip on the wake of a bluff body : application to atmospheric re-entry of space debris

• Auteur / Autrice : Léo Kovacs
• Direction : Viviana Lago, Nicolas Mazellier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/09/2023
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...) - Laboratoire Pluridisciplinaire de recherche en ingénierie des systèmes, mécanique et énergétique (Orléans ; 2008-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre-Yves Lagrée
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Mazellier, Pierre-yves Passaggia, Irina Graour
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lucien Baldas, Ajmal Khan Mohamed

Mots clés

Mots clés contrôlés

Essais en soufflerie aérodynamique

Débris spatiaux

Simulation par ordinateur

Fluides, Dynamique des (environnement spatial)

Hydraulique à surface libre

Écoulement visqueux

Aérodynamique supersonique

Surfaces hydrophobes

Mots clés libres

Rentrée atmosphérique

Écoulement raréfié

Glissement pariétal

Écoulement à eaux peu profondes

Surfaces super-hydrophobes

Atmospheric reentry

Rarefied flow

Parietal slip

Shallow water flow

Super-hydrophobic surfaces

Résumé

Ce sujet de thèse porte sur l'étude expérimentale de l'effet du glissement pariétal sur l'aérodynamique d'un cylindre dans un écoulement raréfié. L'étude des écoulements raréfiés suscite l'intérêt de la communauté scientifique depuis des décennies, car cette physique complexe intervient dans un éventail d'applications englobant notamment la microfluidique ou la rentrée atmosphérique de débris spatiaux. Bien que les interactions entre les corps et le fluide ambiant aient été étudiées de manière approfondie dans le passé, une compréhension fine des phénomènes physiques en proche paroi fait toujours défaut. Cela est particulièrement vrai dans le cas de la rentrée de débris pour lesquels l'écoulement en proche paroi conditionne les efforts aérodynamiques subis par le corps. La raréfaction se manifeste par l'apparition d'une condition de glissement pariétal dont la modélisation est encore très sommaire. Cette phase de modélisation est pourtant fondamentale pour prédire précisément la trajectoire des corps étudiés. C'est l'objet de cette étude qui vise à améliorer la compréhension physique du phénomène de glissement pariétal dans les écoulements raréfiés et à proposer par le biais d'une approche originale son étude à l'aide d'un écoulement visqueux à surface libre analogue aux écoulements raréfiés compressibles. Dans l'approche hydraulique, le glissement pariétal est introduit à l'aide d'une surface dite superhydrophobe. Une base de données sur l'aérodynamique d'un cylindre a été réalisée dans une installation expérimentale (soufflerie MARHy - Laboratoire ICARE) en régime supersonique et raréfié. Ces données servent de point de référence à l'étude en écoulement à surface libre réalisée à l'aide d'un banc d'essai hydraulique en canal ouvert (Laboratoire PRISME). L'effet du glissement pariétal est étudié sur une large gamme de nombres de Reynolds en balayant différents nombres de Mach et Knudsen dans le cas compressible et un nombre de Froude dans le cas incompressible. De plus, un modèle théorique universel faiblement non linéaire de traînée, incorporant le glissement pariétal, a été développé et ajusté sur les bases de données expérimentales afin de modéliser la longueur caractéristique associée au glissement.

This thesis subject concerns the experimental study of the effect of wall slip on the aerodynamics of a cylinder in a rarefied flow. For decades, the study of rarefied flows has piqued the scientific community's interest. The complex physics of such flows is used in a range of applications including microfluidics or the atmospheric reentry of space debris. Although the interactions between the bodies and the ambient fluid have been studied in the past, a detailed understanding of the physical phenomena in the near wall is still elusive. This is especially true in the case of the reentry of debris for which the flow near the wall conditions the aerodynamic forces experienced by the body. The rarefaction is characterized by the emergence of a parietal sliding condition, the modeling of which is still in its early stages. This modeling phase is critical to accurately predict the reentry trajectory of the bodies under consideration. This study aims at improving the physical understanding of the wall slip phenomenon in rarefied flows through an original approach. This approach consists in using a viscous flow with a free surface analogous to compressible rarefied flows. In the hydraulic approach, wall slip is introduced using a so-called super-hydrophobic surface. A database on the aerodynamics of a cylinder was produced in an experimental facility (MARHy wind tunnel - ICARE Laboratory) in supersonic and rarefied conditions. These datasets serve as a reference point for the free surface flow study carried out using an open channel hydraulic test bench (PRISME Laboratory). The effect of wall slip is studied over a wide range of Reynolds numbers by varying different Mach and Knudsen numbers in the compressible case and a Froude number in the incompressible case. In addition, a weakly nonlinear universal theoretical model of drag, incorporating wall slip, was developed, and fitted on the experimental databases to model the characteristic length scale associated with slip.