Simulation numérique de l'onde de souffle et du bruit de jet au décollage d'un lanceur

Numerical simulation of the blast wave and jet noise at take-off of a launcher

• Auteur / Autrice : Jean-Baptiste Dargaud
• Direction : Christophe Bailly
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert radiatif

Aérodynamique supersonique

Simulation des grandes échelles

Résumé

À l'allumage d'un lanceur spatial équipé de moteurs à propergol solide (MPS), une onde de souffle (ODS), caractérisée par un pic de grande amplitude et une large dépression, est générée pendant le transitoire de montée en pression. Puis le jet supersonique chaud rayonne un bruit de jet (BDJ) intense riche en composantes hautes fréquences. Cette thèse a été consacrée à la mise au point de méthodologies de simulation de ces phénomènes à l'aide de la plateforme de calcul CEDRE, en se comparant à des mesures expérimentales réalisées sur un petit MPS. Les phénomènes sont reproduits à l'aide de simulations aux grandes échelles. Les choix numériques (maillages, schémas) sont effectués à partir de cas-tests de validation. La méthodologie retenue pour l'ODS repose sur une approche directe simulant la génération et le transport de l'onde jusqu'aux capteurs expérimentaux. Ce calcul, qui estime aussi le transfert radiatif du jet, permet l’interprétation physique des phénomènes générateurs de l’ODS (effet piston du jet se développant). La prise en compte de la post combustion dans les premiers instants se révèle être un facteur de premier ordre concernant l'amplitude de l'ODS et son interaction avec le jet. Une approche hybride est adoptée pour le BDJ, chaînant une SGE du champ proche à la résolution des équations de Ffowcs Williams & Hawkings (FWH). Le bon accord du champ aérodynamique avec les mesures de la littérature incite à appliquer cette méthode au calcul de l'ODS. Finalement, celle-ci met en évidence le caractère fortement non-linéaire de l'ODS qui ne peut donc être rayonnée par FWH, et une interaction modérée avec le jet, plus conforme aux observations expérimentales.

At solid rocket motor (SRM) start-up, an ignition overpressure (IOP), characterized by a strong positive peak and a large underpressure, is generated during the pressure build-up. Afterwards, the hot supersonic jet emits a strong jet noise rich in high frequency components. The present study focuses on the devising of a simulation methodology dedicated to these phenomena. The framework is that of the computational platform CEDRE, and simulations are compared to experimental measurements from a small scale SRM. Large-eddy simulations (LES) are carried out to model both phenomena. All relevant numerical choices are based on validation test-case results. The methodology applied to the IOP computation consists in a direct approach (where both the generation and the propagation of the wave up to the experimental sensors are simulated). The phenomenon resulting in the generation of the IOP is deduced from this computation (piston-like effect from the supersonic jet initially developing) including heat transfer from the jet. After-burning in the first milliseconds of the simulation is found to be of prime order regarding IOP amplitude and its interaction with the jet. A hybrid approach is applied to jet noise computation, combining LES near-field with far-field sound radiation by solving Ffowcs Williams & Hawkings (FWH) equations. The aerodynamic field thus obtained is in good agreement with literature, and hence encourages to apply this methodology to the IOP computation. This final application underlines the IOP non-linear behaviour and lessen its interaction with the jet to a level closer to experimental observations.