Conclusions
L’objectif de cette thèse était de construire des modèles réduits de coefficient de pression Cp et de flux de chaleur aux parois à l’ombre pour des géométries caractéristiques de débris orbitaux en écoulement hypersonique continu.
L’étude des résultats de la littérature sur les écoulements hypersoniques d’arrière-corps, ainsi que des résultats de simulations numériques Navier-Stokes en écoulement hypersonique laminaire fournis par le CNES, a permis d’identifier trois topologies d’écoulement à l’origine de niveaux de Cp et de flux de chaleur élevés aux parois à l’ombre : les écoulements à l’ombre attachés, les écoulements décollés (avec recollement fluide ou solide) et les interactions choc-choc (chapitre4). Les écoulements à l’ombre attachés sont à l’origine de niveaux de Cp relativement faibles sur les parois concernées, mais peuvent engendrer un flux de chaleur de l’ordre de 15 % du flux de chaleur au point d’arrêt. De plus, ce type d’écoulement peut concerner une grande partie de la géométrie, et ainsi contribuer de manière significative aux coefficients aérodynamiques et au flux de chaleur intégré sur toute la surface de l’objet, qui influencent sa trajectoire et son niveau de dégradation thermique.
La seconde topologie identifiée regroupe les écoulements décollés, avec recollement fluide ou recollement solide. Les premiers sont principalement observés au culot des objets, lorsque la couche limite décolle au passage de l’arête aval et recolle dans le sillage. Il se forme alors une zone de recirculation qui amène directement l’air chaud du point de recollement vers le culot, entraînant des pics de flux de Cp et de flux de chaleur. Le flux de chaleur peut ainsi atteindre 24 % du flux de chaleur au point d’arrêt [42].
Lorsqu’une paroi se situe en aval du décollement, le recollement peut avoir lieu directement à la paroi (recollement solide), ce qui cause un pic de flux de chaleur et de Cp à cet endroit. Horvath et Hannemann [52] ont observé au point de recollement un flux de chaleur équivalent à 18 % du flux de chaleur au point d’arrêt, tandis que des résultats de simulations fournies par le CNES sur des géométries de cônes tronqués font apparaître des pics de flux, dus à des recollement solides, de l’ordre de 110 % du flux au point d’arrêt.
Enfin, les résultats de la base de données de simulations numériques fournie par le CNES font également apparaître des interactions choc-choc dans les zones à l’ombre, sur des géométries de cônes tronqués. Ces interactions ont été classifiées par Edney en 6 catégories, en fonction de l’angle entre les deux chocs. Autour des géométries de cônes tronqués, des interactions de type II et III ont été observées, et le flux de chaleur qui en résulte aux parois à l’ombre atteint 50 % du flux au point d’arrêt.
L’analyse des résultats de la littérature et des calculs fournis par le CNES a également permis d’évaluer l’influence d’autres paramètres, comme le point de vol, la géométrie de l’objet ou la turbulence. Cette dernière peut apparaître dans le sillage et sur l’arrière-corps des objets aux faibles altitudes et impacte fortement les niveaux de flux de chaleur, qui peuvent être jusqu’à trois fois plus élevés que dans un écoulement laminaire.
Au vu des conclusions de cette première étude, il a été décidé de modéliser en premier les distributions de Cpet de flux de chaleur sur l’extrados et le culot de cylindres pleins en incidence. Une méthode adaptée à la modélisation de distributions, l’interpolation par POD (Proper Or-thogonal Decomposition, ou décomposition orthogonale en modes propres) a été implémentée et testée avec succès (chapitre5). Les données d’entrée des modèles ont été obtenues par des calculs Navier-Stokes en écoulement hypersonique réactif réalisés avec le code CEDRE, en utilisant la méthodologie de maillage hybride mise au point dans cette thèse (chapitre 6).
Ces simulations CEDRE d’écoulements autour de cylindres pleins ont mis en évidence de nou-veaux phénomènes impactant les distributions de Cp et de flux de chaleur dues aux écoulements à l’ombre attachés et aux écoulements décollés avec recollement solide. L’analyse des résultats a
Conclusions et perspectives notamment montré une très forte dépendance au diamètre des profils de Cp et de flux de chaleur sur l’extrados, où l’écoulement reste attaché, et au culot, ou se produit un décollement avec recol-lement fluide. Sur l’extrados du cylindre, dans le plan médian y = 0, la distribution classique de Cp et de flux de chaleur présente un minimum proche de l’arête amont, suivi d’un maximum et d’une décroissance lente jusqu’à l’arête aval. Cependant, en dessous d’une valeur limite du Rey-nolds Re∞,D, comprise entre 6,9 × 103et 1,4 × 104, le minimum et le maximum de flux de chaleur disparaissent, et le flux de chaleur décroît de façon monotone entre le bord d’attaque et le bord de fuite. Ce phénomène semble dû uniquement à la topologie de l’écoulement, et non à des effets de chimie, mais l’étude des résultats n’a pas permis d’avancer une explication. Au culot, pour les diamètres inférieurs à 0,4 m (Re∞,D 6 1,4 × 104), la zone de recirculation est formée d’un seul tourbillon, qui cause un seul pic de Cp et de flux de chaleur. Pour les diamètres supérieurs à 1 m (Re∞,D> 3,5 × 104), lorsque le cylindre est en incidence, des tourbillons secondaires se forment dans la recirculation, et plusieurs pics de Cpet de flux de chaleur apparaissent. Toutefois, des cal-culs sur d’autres points de vol ont montré que la topologie de l’écoulement au culot ne dépendait pas que de Re∞,D. Ces calculs ont également permis de quantifier l’influence du point de vol sur les distributions de Cp et de flux de chaleur sur les parois à l’ombre des cylindres. En particulier, des calculs turbulents ont été réalisés pour un point de vol à faible altitude, et ont montré que la turbulence augmentait fortement le niveau de flux de chaleur sur l’extrados des cylindres, mais avait une influence plus limitée sur le flux de chaleur au culot. Enfin, des calculs supplémentaires ont été réalisés pour évaluer l’influence du modèle de paroi utilisé (température de paroi imposée ou calculée à l’équilibre radiatif, paroi totalement catalytique ou non catalytique). Ces calculs ont notamment mis en évidence l’influence de l’angle d’attaque α du cylindre sur le flux de chaleur diffusif au culot : en effet, lorsque α augmente, le flux diffusif au culot diminue, car l’air dans la recirculation est moins dissocié.
Enfin, des modèles 1D et 2D pour le Cp et le flux de chaleur sur l’extrados des cylindres ont été construits, en utilisant la méthode d’interpolation par POD (chapitre7). Ces modèles prennent en compte l’influence de la longueur du cylindre, du diamètre, de l’angle d’attaque ainsi que du point de vol, et ont une précision satisfaisante. Toutefois, la quantité relativement faible de données d’entrée n’a pas permis de construire de modèle satisfaisant pour le Cp ou le flux de chaleur au culot des cylindres.
Perspectives
À partir de ces résultats, plusieurs développements supplémentaires sont envisageables. En priorité, il serait souhaitable d’évaluer l’impact des nouveaux modèles de Cp et de flux de cha-leur sur l’extrados des cylindres pleins, en modélisant la rentrée d’un cylindre avec le code de rentrée atmosphérique ARES. Si cet impact est jugé significatif, il sera alors possible d’augmen-ter la précision des modèles existants à l’aide de calculs CEDRE supplémentaires, en laissant éventuellement de côté certains cas de petit diamètre pour éviter le surapprentissage. Des calculs supplémentaires permettraient également de finir de construire les modèles de flux de chaleur et de Cp au culot des cylindres.
Dans un deuxième temps, il serait intéressant de modéliser l’influence de la turbulence et de la catalycité de la paroi sur le flux de chaleur des cylindres. Les calculs réalisés dans cette thèse ont montré que ces deux phénomènes modifient fortement les distributions de flux de chaleur. Il ne semble donc pas possible de modifier simplement les modèles existants, et une nouvelle base de données d’entrée, centrée sur ces deux phénomènes, devra sans doute être générée.
Enfin, il faudrait également construire des modèles de Cp et de flux de chaleur à l’ombre pour d’autres géométries. Il semble possible en premier lieu d’étendre les modèles 1D de Cpet de flux de chaleur à l’extrados de boîtes et de cylindres pleins. À terme, il serait souhaitable de construire des modèles pour des géométries plus complexes, mais dont le taux de survie et la trajectoire seraient beaucoup plus affectés par le Cp et le flux de chaleur à l’ombre. Ces modèles pourraient par exemple être construits pour des formes concaves, car le flux de chaleur sur la face avant peut être relativement faible, ou pour les cônes tronqués, aux parois desquels les écoulements décollés
Conclusions et perspectives
avec recollement solide et les interactions choc-choc peuvent entrainer des niveaux de Cp et de flux de chaleur très élevés.