Influence de l’angle d’attaque sur la topologie des écoulements décollés et les grandeurs pariétales associées

Les travaux de Zappa et Reinecke [41] ont mis en évidence l’impact de l’angle d’attaque sur le flux de chaleur à la paroi dû à un écoulement décollé avec recollement fluide. On rappelle ici brièvement cette expérience déjà présentée dans la section 1 : les auteurs ont mesuré le flux de chaleur au culot de différentes maquettes de capsules de rentrée (figure 4.64) à l’aide de 3 capteurs, un au centre du culot et deux décentrés, placés de manière symétrique. Ce placement permet d’obtenir en une seule mesure le flux de chaleur pour deux angles d’attaque différents, un positif et un négatif, selon le capteur considéré.

Figure 4.64. – Configurations de cônes émoussées étudiées en souffleries dans [41] (dimensions en pouce)

La figure 4.65 présente le flux de chaleur à la paroi mesuré pour les différents capteurs en fonction de l’angle d’attaque. Concernant le centre du culot (graphique de gauche sur la figure 4.65), le flux de chaleur à la paroi est maximal pour une incidence nulle, et diminue dès que l’angle d’attaque s’éloigne de 0. Ce phénomène pourrait s’expliquer par le fait que lorsque l’incidence est non-nulle, le « point d’arrêt » de la zone de recirculation ne se situe plus au centre du culot, et le maximum de chaleur observé à cet endroit disparaît. Concernant les capteurs situés vers la périphérie du culot (graphique de droite sur la figure4.65), la corrélation entre le flux de chaleur et l’angle d’incidence est moins forte. Toutefois, on constate une diminution globale du flux de chaleur côté windward et une augmentation côté leeward quand l’angle d’incidence augmente. Cela pourrait s’expliquer par la déviation plus forte subie par le fluide côté leeward au niveau du point de recollement. En effet, cette déviation est à l’origine de l’augmentation de température au point de recollement, ce qui injecte de l’air chaud dans la recirculation. Sous incidence, la déviation est plus forte côté leeward, l’air y est plus chauffé, et la zone de recirculation serait donc plus chaude de ce côté, ce qui se traduirait par un flux de chaleur à la paroi plus élevé. À l’inverse, la déviation du fluide côté windward est plus faible, et peut causer la diminution du flux de chaleur observée quand l’incidence augmente.

Cette évolution se retrouve également dans les résultats des calculs MISTRAL. Les figures4.66 (a) et (b) montrent respectivement les distributions de Cp et de flux de chaleur adimensionné le long du culot d’un cylindre de longueur L = 1 m et de diamètre D = 1 m, au point de vol A3 (Z = 70 km, M∞= 20, Re∞= 3,46 × 104m−1), pour des valeurs de α comprises entre 0 et 45◦. Au-delà de 45◦, l’écoulement est attaché sur le culot. Le principal effet de l’angle d’attaque est de diminuer globalement les niveaux de Cp et de flux de chaleur sur le culot. Cette diminution semble due au rétrécissement de la zone de recirculation et à des tourbillons moins structurés que pour α = 0◦. En outre, les pics secondaires de Cp, visibles pour α = 0◦, disparaissent quand α augmente. Le pic central est encore visible pour α = 15◦ mais est déplacé légèrement vers le bas. La distribution de flux de chaleur est plus fortement affectée par l’augmentation de α, comme on peut le voir sur la figure4.67: le maximum global a disparu, et deux maxima locaux sont apparus de part et d’autre du plan de symétrie y = 0, du côté de l’extrados (z > 0), ce qui est en accord

2. Caractéristiques des écoulements à l’ombre décollés

Figure 4.65. – Flux de chaleur total mesuré au centre du culot (à gauche) et près de la périphérie du culot (à droite), adimensionné par le flux de chaleur au point d’arrêt d’une sphère de rayon équivalent, pour les configurations 1 (carrés) et 2 (cercles) de l’étude de Zappa et Reinecke, adimensionné par le flux de chaleur au point d’arrêt d’une sphère de rayon équivalent [41]

avec les observations de Zappa et Reinecke [41]. Toutefois, le flux de chaleur maximal reste tout de même très faible, de l’ordre de 2 % du flux de chaleur au point d’arrêt. Il est donc possible de se limiter aux incidences inférieures à 15◦ pour modéliser les distributions de Cp et de flux de chaleur dues aux écoulements décollés avec recollement fluide. Cette plage d’angle d’incidence est la même que celle retenue pour la modélisation du Cp et du flux de chaleur dus aux écoulements à l’ombre attachés.

Dans le cas d’un recollement solide, Horvath et Hannemann [52] ont fait varier l’angle d’attaque d’un cône émoussé, pour étudier l’impact sur le flux de chaleur pariétal du culot et du dard. La figure 4.68 présente les mesures obtenues pour des valeurs de α de 0◦, 20◦ et −20◦. Le schéma sur la figure indique la convention de signe pour l’angle d’attaque, et la position des capteurs de flux de chaleur (traits noirs épais). Ceux-ci se trouvent sur le côté leeward pour α = 20◦, et sur le côté windward pour α = −20◦. Le graphique montre qu’un angle d’attaque positif a pour effet de diminuer le flux de chaleur sur la partie supérieure du dard et du culot (leeward), soit

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

(a) Cp (b) Flux de chaleur total adimensionné par le flux au point d’arrêt

Figure 4.66. – Effet de l’angle d’attaque sur le Cp (a) et flux de chaleur adimensionné par la valeur au point d’arrêt (b) le long du culot du cylindre de longueur L = 1 m et de diamètre D = 1 m, pour le point de vol A3 (Z = 70 km, M∞ = 20, Re∞ = 3,46 × 104m−1)

Figure 4.67. – Flux de chaleur total adimensionné au culot du cylindre de longueur L = 1 m, de diamètre D = 1 m, avec un angle d’incidence α = 15◦, pour le point de vol A3 (Z = 70 km, M∞= 20, Re∞= 3,46 × 104m−1)

l’évolution inverse du cas avec recollement fluide, étudié par Zappa et Reinecke [41]. Le point de recollement solide sur le dard est également déplacé vers l’aval, et le pic de chaleur est moins élevé. Inversement, un angle d’attaque négatif rapproche le point de recollement et augmente le flux de chaleur à la paroi supérieure (windward) . Là encore, l’évolution se fait en sens inverse du cas sans dard. Ce phénomène peut s’expliquer par le fait que pour un recollement solide, le fluide ne prend pas la direction de l’écoulement incident, mais celle de la paroi. Le fluide qui subit la plus forte déviation est donc celui du côté windward, et non plus du côté leeward comme dans le cas avec recollement fluide. Là encore, cette déviation augmente la température du point chaud au niveau du recollement, et donc la température dans la zone de recirculation, qui vient chauffer

2. Caractéristiques des écoulements à l’ombre décollés

le culot. L’augmentation du flux de chaleur sur la partie windward se retrouve donc à la fois sur le dard et au culot.

Figure 4.68. – Évolution du nombre de Stanton sur le culot et le dard d’un cône émoussé, en fonction de l’angle d’attaque [52]

La base de données de résultats MISTRAL ne permet pas d’étudier l’influence de α dans le cas d’un écoulement décollé avec recollement solide, car ce type d’écoulement n’a été observé que pour α = 0◦ dans le cas des cônes tronqués.

2.5. Influence de la géométrie sur la topologie des écoulements décollés et les