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Ablation d’un matériau de protection thermique en régime turbulent

Authors
  • Stuck, Maxime
Publication Date
Dec 12, 2023
Source
Hal-Diderot
Keywords
Language
French
License
Unknown
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Abstract

Lors de sa rentrée dans l’atmosphère, la surface de la pointe avant d’un véhicule spatial est soumise à des pressions et des flux thermiques très intenses (parfois supérieurs à 10 MW/m 2 ). Afin de garantir l’intégrité du corps de rentrée dans de telles conditions, des systèmes de protection thermique, généralement à base de matériaux céramiques, ont dû être développés. Les températures et flux de chaleurs extrêmes que doit supporter cette protection entraînent l’oxydation et la sublimation du carbone qui la compose, conduisant à son ablation. La dissipation d’énergie due à cette perte de masse retarde alors l’échauffement du corps de rentrée. On observe durant ce processus d’ablation l’apparition de creusements macroscopiques semblables à des coups de gouge (que l’on nomme scallops en anglais). Ces structures, liées à un couplage entre la couche limite turbulente qui se développe à la surface de l’objet et la paroi érodable, provoquent une augmentation des transferts thermiques pariétaux à la surface du corps de rentrée, ce qui tend à accélérer la dégradation de la protection thermique.Des creusements similaires peuvent également apparaître dans une grande variété d’environnements géophysiques où une paroi érodable est cisaillée par un écoulement de fluide. Dans ces situations, ’écoulement est incompressible, et il existe une corrélation empirique, proposée par Thomas (1979), permettant de relier la taille des motifs aux caractéristiques de la couche limite turbulente. L’objectif de cette thèse est de comprendre le rôle de la turbulence dans la croissance des coups de gouge lors des premiers instants de leur formation. Dans un premier temps, une simulation couplée aérothermique-ablation a été menée à partir d’un essai en vol disponible dans la littérature (Hochrein et Wright, 1976), et a permis de faire le lien entre les coups de gouge rencontrés lors de l’ablation d’un bouclier thermique et la corrélation de Thomas (1979). Dans un second temps, les creusements sont vus comme une déformation sinusoïdale harmonique de la paroi. L’approche historique (Thorsness et al., 1978; Charru et al., 2013; Claudin et al., 2017) utilisée pour étudier la croissance de motifs périodiques a été reprise et des études de réponses linéaires forcées d’une région interne de couche limite turbulente se développant sur une paroiondulée ont ainsi été réalisées. Leur comparaison avec des simulations RANS (Reynolds Averaged Navier–Stokes), une base de données de DNS (Direct Numerical Simulations) et les résultats expérimentaux d’Hanratty et al. (Zilker et al., 1977; Abrams et Hanratty, 1985; Frederick et Hanratty, 1988) ont montré la mise en défaut de l’hypothèse de Boussinesq pour une certaine gamme de longueurs d’onde de la déformation de la paroi, et ses conséquences sur la prévision de l’émergence d’une longueur d’onde privilégiée lors de la régression de la paroi. Il a également été mis en avant qu’un modèle de turbulence au second ordre permet de retrouver les résultats de référence, notamment en ce qui concerne le cisaillement et le flux thermique à la paroi, illustrant l’importance de la modélisation des tensions de Reynolds diagonales mal représentées par l’hypothèse de Boussinesq. En s’inspirant des travaux d’Hanratty, des corrections ad-hoc ont ensuite été proposées et, malgré les limites de cette approche, ont prouvé leur efficacité pour améliorer les performances des modèles de turbulence au premier ordre. Enfin, pour conclure ces travaux, une étude préliminaire s’est intéressée à l’extension en trois dimensions des analyses linéaires dans le but d’étudier l’influence d’une éventuelle courbure de la paroi.

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