Simulation aérodynamique externe à très haut Mach

À haute altitude, certains lanceurs spatiaux peuvent être sujets à un phénomène connu sous le nom de PIFS (Plume Induced Flow Separation).

Ce phénomène est causé par l’éclatement des jets des tuyères à haute altitude, du fait de la diminution de la pression ambiante. Cet éclatement des jets provoque un blocage de l’écoulement libre autour du lanceur et un détachement de la couche limite se produit alors sur la partie arrière du lanceur. Une zone de recirculation, composée d’un mélange des gaz chauds issus des jets et de l’air amont, se crée ainsi entre la partie basse du lanceur et le point de séparation (distance de PIFS). Les parois du lanceur en contact avec cette zone de mélange de gaz, sont alors soumises à des températures extrêmes.

Le phénomène de PIFS ayant été observé et quantifié sur Saturn V, ce lanceur a été choisi pour la réalisation des calculs.

Dans le cadre d’une étude menée conjointement avec ArianeGroup, le centre de calcul d’INGELIANCE, à Bordeaux, a réalisé des simulations avec le code de calcul FLUSEPA (code de mécanique des fluides développé par ArianeGroup) dans le but de s’assurer de la capacité du code à reproduire le phénomène de PIFS au culot des lanceurs spatiaux à haute altitude et haut Mach.

La bonne prédiction de cette distance de PIFS est critique pour le dimensionnement des systèmes de protection thermique.

Ces calculs de Haute Performance ont été menés au Centre de Calcul Recherche et Technologie (CCRT) du CEA afin d’adresser un nombre suffisant de cœurs. Chaque condition de vol a nécessité environ 1,5 à 2 semaines de calcul sur 420 cœurs pour un maillage autour du lanceur de l’ordre de 45 millions d’éléments.

Notre expertise : Phénomènes de combustion !

Les phénomènes de combustion sont très polluants et interviennent quotidiennement dans de nombreux secteurs : industrie, transports, etc.

Pour réduire l’impact environnemental de ces phénomènes, il est nécessaire d’optimiser les chambres de combustion de façon à améliorer leur rendement ou à diminuer l’utilisation de certains produits de réaction polluants tels que le NOx par exemple.

La modélisation de ces phénomènes est très complexe.

Au-delà du modèle aérothermique (qui correspond à l’écoulement fluide), il faut y associer des modèles chimiques de réactions attendues. Selon la précision voulue, une réaction chimique peut ainsi faire intervenir plusieurs dizaines de produits/réactifs et plusieurs centaines de réactions. Le temps de calcul peut alors être très long, même en utilisant des méso-centres de calcul. De façon à aboutir à un compromis satisfaisant entre précision et temps de calcul, il sera nécessaire d’utiliser des méthodes avancées (remaillage, épaississement de flamme, chimie tabulée, réduction du nombre de réactions).

Dans le cadre de son stage de fin d’études au sein de l’équipe calcul d’ INGELIANCE à Bordeaux, Nicolas DELORT travaille sur les méthodes de modélisation de flammes de diffusion (sans pré-mélange) en chimie dite complexe. Cette méthode permet de produire des résultats plus précis, à l’aide du code de calcul YALES2 développé au Coria.

La vidéo ci-dessus vous présente l’amorçage d’une flamme dans une chambre test. Les calculs ont été menés au CCRT, le centre de calcul du CEA.