7 – Simulation numérique couplée CFD-DSMC
Simulation numérique couplée CFD-DSMC de jets de moteur-fusée
en atmosphère raréfiée
Clout,1, A. Langenais,1 Y. Dauvois,2 L. Mieussens,3 et J. Labaune1
1DMPE ONERA Université Paris Saclay 91123 Palaiseau France
2DMPE ONERA Université de Toulouse 31055 Toulouse France
3Bordeaux INP Univ. Bordeaux CNRS IMB UMR 5251 F-33400 Talence France
Résumé
gamme de pression atteinte dans le domaine. En effet au-delà de 100 km d’altitude, les gaz dans la chambre de combustion sont éjectés à haute pression dans une atmosphère raréfiée. Lors de l’éjection, les gaz de jet se détendent rapidement dans le milieu ambiant et le libre parcours moyen λ des molécules augmente. Au-delà d’une certaine expansion, λ est comparable voire plus grand que la longueur caractéristique du système et le milieu ne peut donc plus être considère comme continu, ce qui rend la simulation de ces jets complexe. En effet, les approches CFD classiques reposant sur la résolution des équations de Navier-Stokes qui sont traditionnellement utilisées pour simuler les écoulements de jet nécessitent la continuité du milieu, ce qui les rend inutilisables au-delà d’un certain niveau de raréfaction. L’équation de Boltzmann, pour laquelle la continuiste du milieu n’est pas nécessaire, peut alors être résolue, par exemple la simulation directe par méthode de Monte-Carlo (DSMC). La DSMC étant très couteuse dans les milieux denses, des approches hybrides ont été développées [1] afin de réduire le cout de calcul. Ces méthodes traitent la région continue du domaine en CFD et la région raréfiée en DSMC. Elles peuvent être one-way si l’information est transmise de la CFD vers la DSMC, ou two-way si elle est transmise dans les deux sens.
Afin d’évaluer la faisabilité de simulations échelle 1 de lanceurs orbitaux ou sub-orbitaux, un calcul one-way a été réalisé [2] sur le troisième étage de la fusée M-V de la JAXA [3]. La comparaison entre le calcul CFD et le calcul couple CFD-DSMC, présentée dans la Figure 1, a mis en avant un phénomène physique nomme backflow qui correspond à la remontée vers l’amont du lanceur des gaz légers de jet. C’est l’un des phénomènes capte en DSMC mais pas en CFD. Une étude approfondie du phénomène sur un cas simplifie a permis la dérivation d’un modèle semi-analytique permettant d’évaluer l’occurrence du backflow à partir des paramètres globaux de l’écoulement. Ce modèle permet, sans avoir à réaliser de simulation DSMC couteuse, d’estimer la contamination possible de la charge utile du lanceur. La fraction de gaz de jet remontant vers l’amont du lanceur en fonction de la fraction molaire de gaz léger dans le jet est présentée en Figure 2 pour les données de simulation de référence et pour le modèle. Dans le cas présent, le modèle prévoit correctement cette grandeur. Les travaux futurs porteront sur l’amélioration de la méthodologie de couplage, d’une méthode one-wax vers une approche two-way. Une simulation via la methode two-way d’une tuyère millimétrique du DLR [4] sera réalisée afin d’évaluer la pertinence et le cout de calcul de cette dernière compare à la méthode one-way.
Figure 1 : Comparaison des champs de fraction molaire d’H2 obtenus par simulation CFD et simulation couplée CFD-DSMC
figure 2 : Comparaison de la fraction massique d’écoulement contribuant au « backflow » en fonction de la fraction molaire d’H2 injectée
Remerciements
Les auteurs remercient l’Agence de l’Innovation de Défense (AID), la Direction Générale d l’Armement (DGA) et la direction scientifique de l’ONERA pour le soutien et le financement accordes à ces travaux.
Bibliographie
[1] V. Charton, A. Awad, and J. Labaune, “Optimisation of a hybrid NS–DSMC methodology for continuous–rarefied jet flows,” Acta Astronautica 195, 295–308 (2022).
[2] A. Clout, A. Langenais, Y. Dauvois, L. Mieussens, and J. Labaune, “Hybrid NS-DSMC simulation of a full scale solid rocketmotor reactive exhaust at high altitude,” in EUCASS2023 (Proceedings of the 10th European Conference for Aerospace Sciences. Lausanne, Switzerland, 9 July – 13 July, 2023).
[3] K. Kinefuchi, H. Yamaguchi, M. Minami, K. Okita, and T. Abe, “In-flight S-band telemetry attenuation by ionized solid rocket motor plumes at high altitude,” Acta Astronautica 165, 373–381 (2019).
[4] M. Grabe, G. Dettlef, and K. Hannemann, “Comparison of computed free thruster plume expansion to experiments,” in Space Propulsion Conference (2014).
