Outils ONERA pour la simulation des écoulements à hautes vitesses à la frontière des régimes raréfié et continu

 

Yann Dauvois^1*, Adrien Langenais² et Julien Labaune²

¹ DMPE ONERA Université de Toulouse 31055 Toulouse France

² DMPE ONERA Université Paris Saclay 91123 Palaiseau France

 

Résumé

La simulation numérique des écoulements hypersoniques autour d’objets en phase de rentrée atmosphérique et des écoulements supersoniques de jets de moteur-fusée est nécessaire pour la conception de nombreuses applications spatiales. La connaissance de la pression et du flux de chaleur s’exerçant autour des objets durant toute la phase de descente dans l’atmosphère permet de contrôler leur trajectoire et de prévoir leur tenue aux contraintes thermiques. Dans le cadre des jets propulsifs, il est nécessaire de prévoir la contamination des lanceurs par les particules sortant de la tuyère, leurs signatures optique et radar et de s’assurer de la bonne qualité des communications radio avec le sol. Ces problématiques se posent à toutes les altitudes et l’ONERA doit pouvoir apporter aux industriels des capacités de simulation représentative de la réalité physique.

 

A basse altitude (h < 80 km) l’air est dans le régime continu (dense) et la méthode de référence est la résolution des équations RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) par une méthode des volumes finis qui de par sa rapidité d’exécution permet de répondre à une grande variété de problématiques industrielles. A haute altitude (h > 100 km) l’air est si peu dense que le libre parcours moyen des particules est du même ordre de grandeur voire plus grand que la taille caractéristique de l’objet rendant caduque l’hypothèse du milieu continu. Dans ces conditions raréfiées les équations de Navier-Stokes ne sont plus valides et on doit considérer les interactions intramoléculaires régies par l’équation de Boltzmann. La méthode de référence pour la résoudre est la méthode stochastique DSMC (Direct Simulation Monte Carlo) qui présente le désavantage d’être très coûteuse pour simuler les gaz denses. Or, quand l’écoulement présente des zones denses et des zones raréfiées, on ne peut plus utiliser seulement un modèle RANS ou une méthode DSMC. Pour traiter cette situation, l’ONERA a opté pour une méthode de séparation des domaines où la partie de l’écoulement dense est résolue par le code RANS CEDRE et la partie de l’écoulement raréfiée est résolue par le code DSMC SPARTA. La problématique du couplage hybride RANS-DSMC est donc principalement un problème de conditions limites où les échanges de quantités fluides macroscopiques issues du domaine dense et de quantités fluides mésoscopiques issues du domaine raréfié doivent être cohérents dynamiquement pour capturer correctement la physique [1].

 

L’exposé présentera les méthodes de couplage hybride RANS-DSMC développées à l’ONERA pour simuler les écoulements à hautes vitesses présentant des zones denses et des zones raréfiées dans le cadre de la rentrée atmosphérique et des jets propulsifs de moteur-fusée. En particulier, on présentera l’évolution de nos outils du « one-way » [2] vers le « two-way » pour tenir compte des effets de rétroaction de l’écoulement dans les jets et pour capturer les chocs. Enfin, ces méthodes seront illustrées à travers des résultats issus de simulations numériques sur des cas de la littérature : la détente d’azote à travers la tuyère millimétrique de Grabe [3], un écoulement hypersonique autour du cylindre de Lofthouse [4], et la rentrée atmosphérique du véhicule japonais OREX à 101.1 km d’altitude [5].

 

Références

[1] Schwartzentruber, T. E. and Boyd, I. D., Detailed Analysis of a Hybrid CFD-DSMC method for Hypersonic Non-Equilibrium Flows, 38th AIAA Thermophysics Conference, 2005.

[2] Charton, V., Awad, A. and Labaune, J., Optimisation of a hybrid NS-DSMC methodology for continuous-rarefied jet flows, Acta Astronautica, 2022.

[3] Grabe, M., Fasoulas, S., and Hannemann, K., Numerical Simulation of Nozzle Flow into High Vacuum Using Kinetic and Continuum Approaches, Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design, 12, pp. 423-430, 2010.

[4] Lofthouse, A., Nonequilibrium Hypersonic Aerothermodynamics Using the Direct Simulation Monte Carlo and Navier-Stokes Models, phd thesis, University of Michigan, 2008.

[5] Morimoto, T., Charton, V., Yamaoka, E. and Kinefuchi, K., Simulation of High Altitude Rarefied Hypersonic Flow with Large Species Density Variation Based on DSMC Method, 12th International Conference on Computational Fluid Dynamics (ICCFD12), Kobe, Japan, July 14-19, 2024.