Simulation numérique CFD-DSMC de jets propulsifs à très haute altitude

Amandine JOLLANT, Clément VIREY

ArianeGroup

 

Résumé

Les écoulements de jets hypersoniques à haute altitude sont complexes à simuler en raison de la variation importante de la densité. En effet, le cœur du jet est dense et l’environnement dans lequel il s’étend est raréfié, ce qui affecte les caractéristiques du jet. Une stratégie couramment utilisée consiste à effectuer une simulation hybride unidirectionnelle Navier-Stokes/Direct Simulation Monte Carlo (DSMC), étant donné qu’une résolution Navier-Stokes n’est plus valable dans les zones raréfiées et que la DSMC est trop coûteuse dans les zones de forte densité.

Cette méthode hybride est déjà utilisée par les ingénieurs d’ArianeGroup, qui résolvent l’écoulement à l’intérieur de la tuyère avec Navier-Stokes et recalculent l’écoulement à l’extérieur de la tuyère avec une simulation DSMC. Cependant, le plan de sortie de la tuyère n’est pas le meilleur choix d’interface car le jet à proximité de la tuyère est encore très dense et serait correct avec une résolution Navier-Stokes. Certains chercheurs ont étudié des interfaces de couplage déterminées avec des critères spécifiques évaluant le niveau de raréfaction et la validité de l’hypothèse de milieu continu.

La pertinence d’une méthodologie de couplage basée sur ces critères a été étudiée au travers de deux cas de simulation issus de travaux de l’Onera [1]. Pour chaque étude, une simulation CFD Navier Stokes a été réalisée sur l’ensemble du domaine, puis, après avoir sélectionné une interface de couplage à partir du critère étudié, l’écoulement extérieur a été recalculé à l’aide d’une simulation DSMC. Pour l’interface de couplage, deux critères principaux ont été considérés : un nombre de Knudsen local basé sur le gradient de densité et un critère provenant de la distribution de Chapman-Enskog. Les deux cas conduisent à des résultats satisfaisants, les simulations se terminent par des résultats conformes à l’article montrant une différence non négligeable de la structure du jet entre le résultat CFD-NS et le résultat DSMC dans la zone raréfiée. L’étude de différents choix d’interfaces de couplage a mis en évidence une réduction non négligeable du coût de calcul de la DSMC pour des différences mineures dans les résultats. L’intérêt d’ajouter une troisième contribution au critère de Chapman-Enskog pour rendre compte de la diffusion moléculaire a également été étudié.

 

Bibliographie

[1] V. CHARTON , A. LANGENAIS et J. LABAUME . « High Altitude Rocket Reactive Jet Flow Simulations

with a Hybrid NS-DSMC Methodology. » In : 9th European Conference for Aeronautics and Space

Sciences (2022).