ablation & rentrée atmosphérique

La thèse de Maxime Stuck » Ablation d’un matériau de protection thermique en régime turbulent » (ISAE-Université de Toulouse) a été soutenue le 12 décembre 2023. La thèse porte sur le couplage entre ablation et turbulence qui déclenche l’apparition de rugosités de surface sur les protections thermiques ablatives des véhicules hypersoniques pendant leur vol atmosphérique.

Mots clefs : Couche limite turbulente, Réponse linéaire forcée, Reynolds Averaged Navier–Stokes, Aérodynamique, Ablation

Support : la thèse a été été réalisée dans le cadre d’une collaboration entre le CEA et l’ONERA

Résumé

Pendant leur trajectoire dans l’atmosphère, les objets animés de très grandes vitesses tels que les capsules de rentrée atmosphérique ou les météorites sont soumis à des ambiances thermiques extrêmes. Les flux thermiques peuvent même être tellement élevés qu’ils déclenchent des réactions d’oxydation, de sublimation et autres réactions chimiques entre les matériaux dont ils sont constitués et l’atmosphère qu’ils traversent. Ces réactions provoquent l’érosion thermochimique, dite ablation, des matériaux de surface.

Pour les véhicules de rentrée atmosphérique, cette ablation doit être aussi faible que possible pour assurer le succès de la mission de rentrée. Des matériaux capables de supporter de très hautes températures sont donc utilisés, comme les matériaux composites carbone-carbone qui sont parmi les plus résistants à ce type d’environnement.

Pendant le processus d’ablation, des motifs « en coups de gouge » peuvent apparaitre en surface (Figure 1). Lorsqu’ils apparaissent à la surface d’un véhicule de rentrée atmosphérique (Figure 2), ces motifs, dont l’origine est le couplage entre l’ablation de paroi et la turbulence de l’écoulement, augmentent à leur tour les flux thermiques à la paroi, accélérant ainsi la dégradation des matériaux. .

La connaissance des phénomènes physiques derrière ces observations est très importante pour effectuer le dimensionnement correct des protections thermiques des véhicules de rentrée atmosphérique. L’objectif de la thèse est ainsi de comprendre le rôle de la turbulence dans la croissance des coups de gouge lors des premiers instants de leur formation.

On peut observer des motifs similaires sur de nombreuses formations géologiques dans lesquelles une paroi érodable subit le cisaillement provoqué par un écoulement fluide (Figure 3). Pour ce type de motif, qui met en jeu des écoulements incompressibles, une corrélation empirique a été mise au point par Thomas (1979). Celle-ci relie la dimension des motifs aux structures de la couche limite turbulente (Figure 4).

Dans un premier temps, une simulation des premiers instants d’un essai en vol a été menée à partir de données disponibles dans la littérature (voir Hochrein & Wright, 1976 ainsi que la Figure 2), et a permis de faire le lien entre les coups de gouge rencontrés lors de l’ablation d’un bouclier thermique et la corrélation de Thomas (1979) (Figure 4).

Dans un second temps, les creusements ont été considérés comme une déformation sinusoïdale harmonique de la paroi. L’approche historique (Charru et al., 2013) utilisée pour étudier la croissance de motifs périodiques a été reprise et des études de réponses linéaires forcées d’une région interne de couche limite turbulente se développant sur une paroi ondulée ont ainsi été réalisées.

Leur comparaison avec des simulations RANS (Reynolds Averaged Navier–Stokes), une base de données de DNS (Direct Numerical Simulations) et les résultats expérimentaux d’Hanratty et al. (Abrams & Hanratty, 1985; Frederick & Hanratty, 1988) a permis de mettre en avant la mise en défaut de l’hypothèse de Boussinesq pour une certaine gamme de longueurs d’onde de la déformation de la paroi, et ses conséquences sur la prévision de l’émergence d’une longueur d’onde privilégiée lors de la régression de la paroi. (Chedevergne et al. 2023).

Il a également été montré qu’un modèle de turbulence au second ordre permet de retrouver les résultats de référence, notamment en ce qui concerne le cisaillement et le flux thermique à la paroi, illustrant l’importance de la modélisation des tensions de Reynolds diagonales mal représentées par l’hypothèse de Boussinesq.

En s’inspirant des travaux d’Hanratty, des corrections ad-hoc ont ensuite été proposées et, malgré les limites de cette approche, ont prouvé leur eﬃcacité pour améliorer les performances des modèles de turbulence au premier ordre (Stuck et al. 2024 et Figure 5).

Enﬁn, pour conclure ces travaux, une étude préliminaire s’est intéressée à l’extension en trois dimensions des analyses linéaires dans le but d’étudier l’inﬂuence d’une courbure de la paroi.

Références

R. Thomas, 1979	Size of scallops and ripples formed by flowing water. Nature, vol. 277 n◦ 5694 pp. 281–283.
G. Hochrein & G. Wright, 1976	Analysis of the tater nosetip boundary layer transition and ablation experiment. From 14^th Aerospace Sciences Meeting, p. 167.
F. Charru et al., 2013	Sand ripples and dunes. Annual Review of Fluid Mechanics, vol. 45 pp. 469–493.
J. Abrams & T. Hanratty, 1985	Relaxation effects observed for turbulent flow over a wavy surface. Journal of Fluid Mechanics, vol. 151 pp. 443–455.
K. Frederick & T. Hanratty, 1988	Velocity measurements for a turbulent non-separated flow over solid waves. Experiments in fluids, vol. 6 n◦ 7 pp. 477–486.
Thèse M. Stuck, 2023	Ablation d’un matériau de protection thermique en régime turbulent Thèse de Doctorat, Toulouse, ISAE
F. Chedevergne et al., 2023	About the role of the Hanratty correction in the linear response of a turbulent flow bounded by a wavy wall. Journal of Fluid Mechanics, vol. 967 pp. A39.
M. Stuck et al., 2024	Influence of the turbulent closure for the prediction of the linear response of a flow bounded by a corrugated wall European Journal of Mechanics – B/Fluids, vol. 105, pp 275-284