Grandeurs pariétales dans le cas d’écoulements décollés avec recollement solide À l’inverse du recollement fluide, le recollement solide ne peut se produire que dans les cas où

une paroi se situe en aval du point de décollement, ce qui n’est pas toujours vrai pour les formes caractéristiques des débris. Toutefois, quand il se produit, le recollement solide a un impact non négligeable sur le flux de chaleur et la pression à la paroi.

La figure4.25présente un exemple de recollement solide, à l’arrière d’une plaque plane 2D (de longueur L = 3 m et d’épaisseur e = 0,1 m) dans un écoulement incident correspondant à une altitude de 70 km dans l’atmosphère terrestre, à une vitesse de 6000 m · s−1 et à une incidence de 15˚. Dans ce cas, le point de recollement se situe sur la surface du solide (vers x = 1,5 m et z = 0,05 m sur la figure 4.25). À cet endroit, le fluide vient impacter la paroi directement. Il se produit donc une brusque décélération de l’écoulement, qui se traduit par une augmentation de la température et du flux de chaleur à la paroi.

Rom et al. [50] ont également étudié le flux de chaleur et la pression dans des écoulements décollés derrière des marches descendantes, qui présentent donc un recollement solide. Les auteurs ont observé que la valeur du flux de chaleur à cet endroit était inversement proportionnelle à la distance entre les points de décollement et de recollement, sans toutefois proposer d’explication. Hollis et Perkins [51] ont mesuré expérimentalement le flux de chaleur dans les zones décollées derrière un cône émoussé, pour des écoulements incidents à M∞ = 10 et Re∞ entre 8,23 × 104 et 3,15 × 105. Le cône émoussé à l’avant est de demi-angle au sommet 70◦ et de rayon de nez 2,54 cm, et l’arrière-corps est formé d’un cône tronqué de demi-angle au sommet 40◦, tenu par un dard cylindrique (voir figure 4.26). Horvath et Hannemann [52] ont effectué le même type de mesures sur une géométrie similaire, mais dont l’arrière-corps est droit (voir figure4.27), pour des écoulements incidents à M∞ = 10 et Re∞ entre 2,5 × 105 et 106. Cette géométrie correspond à celle de la capsule Mars Pathfinder, un atterrisseur martien, et est également tenue par un dard. Dans l’étude de Hollis et Perkins [51], l’écoulement possède un point de recollement solide sur le dard cylindrique derrière le cône (que l’on observe sur la figure 4.28). Ce point de recollement correspond aux valeurs maximales visibles sur la figure 4.29(S/Rb= 4.2), où le flux de chaleur à la paroi atteint jusqu’à 15 % de la valeur au point d’arrêt. Ce phénomène est également observable dans l’étude de Horvath et Hannemann [52]. Les auteurs obtiennent un flux de chaleur au point de recollement compris entre 16 et 18 % de la valeur au point d’arrêt. Ils précisent que la position du

2. Caractéristiques des écoulements à l’ombre décollés

Figure 4.25. – Lignes de courant autour de l’arrière d’une plaque plane de longueur L = 3 m et d’épaisseur e = 0,1 m en incidence de 15˚, obtenues avec le code Navier-Stokes CEDRE de l’ONERA en 2D plan, pour un point de vol à 70 km d’altitude et 6000 m · s−1

Figure 4.26. – Géométrie utilisée par Hollis et Perkins pour les mesures de flux de chaleur à l’arrière-corps [51]

Figure 4.27. – Géométrie utilisée par Hor-vath et Hannemann pour les mesures de flux de chaleur à l’arrière-corps [52]

maximum de flux de chaleur ne correspond pas exactement à celle du point de recollement, mais n’indiquent pas la distance qui sépare ces deux points. Toutefois, ils ont remarqué que lorsque l’écoulement incident était modifié, les deux points se déplaçaient dans la même direction le long du dard, ce qui confirme le lien entre le recollement solide et le maximum de flux de chaleur. Ils ont également noté que lorsque le point de recollement se déplaçait vers l’amont, la valeur maximale du flux augmentait de 8 %. Ce résultat rejoint ceux de Rom et al. [50], qui ont observé que le maximum de flux de chaleur était inversement proportionnel à la distance entre les points de décollement et de recollement.

Chapitre 4. Analyse des écoulement à l’ombre et de leur impact sur les grandeurs pariétales Dans le cas du recollement solide, la zone de recirculation amène l’air chaud depuis le point de recollement en direction du culot, comme dans le cas du recollement fluide. Cependant, un tourbillon secondaire se crée au niveau de la jonction entre le dard et le culot (en (3) sur la figure 4.28). Ce tourbillon dévie l’air chaud de la recirculation et l’empêche d’aller impacter directement la paroi du culot. On n’observe donc pas de pic de chaleur à cet endroit. Hollis et Perkins [51] et Horvath et Hannemann [52] ont mesuré dans la zone décollée de l’arrière-corps un flux de chaleur à la paroi de l’ordre de 1 % de celui mesuré au point d’arrêt. Dans l’étude de Hollis et Perkins [51], l’influence de la recirculation sur le flux de chaleur à la paroi de l’arrière-corps est tout de même légèrement visible (figure 4.29) : on observe une légère augmentation du flux de chaleur entre S/R_b = 1, 6 et S/Rb = 1, 8, ce qui correspond à l’arête aval du cône de 40◦ (en (2) sur la figure 4.28). En comparant avec les lignes de courant obtenues numériquement par les auteurs (figure 4.28), on constate que cette zone correspond au « point d’arrêt » de la recirculation principale, et reçoit directement de l’air issu du point chaud en aval.

Figure 4.28. – Lignes de courant sur l’arrière-corps et le dard cylindrique d’un cône émoussé [51]

Figure 4.29. – Nombre de Stanton CH mesuré sur l’arrière-corps et le dard cylindrique d’un cône émoussé, adimensionné par le nombre de Stanton au point d’arrêt CH,0 [51] Dans la base de donnée MISTRAL, des recollements solides ont été observés sur des cônes tronqués à incidence rasante. La figure4.30illustre un exemple de géométrie de cône tronqué, et

2. Caractéristiques des écoulements à l’ombre décollés

la figure4.31montre le champ de température de l’écoulement adimensionnée par la température de l’infini amont T∞, ainsi les lignes de courant autour de cette géométrie, dans le plan de symétrie (y = 0), pour le point de vol PVC2 (Z = 69,8 km, M∞= 15, Re∞= 2,66 × 104m−1) et α = 0◦. L’écoulement décolle au passage de la lèvre supérieure amont du cône, puis recolle sur la lèvre supérieure aval, causant un choc de recollement et l’augmentation de la température du fluide.

Les figures 4.32 (a) et (b) présentent respectivement les distributions de Cp et de flux de chaleur adimensionné par le flux au point d’arrêt, sur la paroi interne du cône. Ces distributions présentent toutes les deux un pic caractéristique du recollement solide, avec notamment un flux de chaleur total de l’ordre de 15 % du flux au point d’arrêt. Ces maxima ne se situent pas dans le plan de symétrie y = 0 de la géométrie, ce qui indique la présence d’effets 3D complexes dans l’écoulement.

Figure 4.30. – Exemple de géométrie de cône tronqué (géométrie n˚1)

Figure 4.31. – Température adimensionnée et lignes de courant dans le plan y = 0 autour d’un cône tron-qué (géométrie n˚1, PVC2 (Z = 69,8 km, M∞ = 15, Re∞ = 2,66 × 104m−1), α = 0◦)

La suite de cette partie détaille l’impact de la turbulence (section 2.2), du point de vol (sec-tion 2.3), de l’angle d’attaque (section 2.4) et de la géométrie (section 2.5) sur la topologie des écoulements décollés et sur les distributions de Cp et de flux de chaleur qui en résultent.

Chapitre 4. Analyse des écoulement à l’ombre et de leur impact sur les grandeurs pariétales

(a) Coefficient de pression sur la paroi interne (b) Flux de chaleur adimensionné sur la paroi interne

Figure 4.32. – Coefficient de pression (a) et flux de chaleur total adimensionné (b) sur la paroi interne d’un cône tronqué (géométrie 1, PVC2 (Z = 69,8 km, M∞= 15, Re∞= 2,66 × 104m−1), α = 0◦)

2.2. Influence de la turbulence sur la topologie des écoulements décollés et les