Etude numérique de la propagation et l’atténuation des ondes de choc en milieux confinés

Numerical study of shock waves propagation and attenuation in confined areas

• Auteur / Autrice : Nassim Brahmi
• Direction : Abdellah Hadjadj
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 01/10/2020
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Bechara Taouk
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdellah Hadjadj, Isabelle Sochet, Georges Jourdan, Arnab Chaudhuri, Sergey Kudriakov, Arnaud Bultel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Sochet, Georges Jourdan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aérodynamique supersonique

Tourbillons (mécanique des fluides)

Ondes -- Propagation

Ondes -- Diffraction

Ondes de choc

Mots clés libres

Atténuation

Réflexion et diffraction

Shock waves

Vorticity

Attenuation

Reflection and diffraction

Numerical simulations

Supersonic flows

Résumé

La propagation des ondes de choc implique des interactions complexes entre ondes et milieux environnants, ce qui engendre plusieurs phénomènes tels que la réflexion, la diffraction, etc. Pour clarifier davantage la physique associée à ces phénomènes, des simulations numériques hautes résolutions ont été réalisées. En particulier l'analyse de la diffraction des ondes de choc sur deux surfaces concaves cylindriques a révélé que les angles de transition, d'une réflexion régulière à une réflexion de Mach, augmentent avec le nombre de Mach, alors qu'ils sont presque égaux sur les deux surfaces concaves pour les régimes de Mach transsoniques et relativement plus important sur la deuxième surface pour les nombres de Mach plus élevés. Ceci prouve que l'écoulement est en mesure de conserver l'historique des événements passés sur l'ensemble du processus pour des nombres de Mach élevés. L'analyse de l'équation de transport de vorticité a montré, pour la première fois, que la diffusion de la vorticité due aux effets visqueux est assez importante par rapport au terme baroclinic pour les faibles nombres de Mach, alors que cette tendance est inversée pour les nombres de Mach les plus élevés. L'étude a également montré que le stretching de la vorticité dû aux effets de compressibilité joue un rôle important dans la production de vorticité. A la base de ces simulations numériques, une relation universelle a été proposée, permettant de prédire la trajectoire et la vitesse de l'onde incidente en fonction du nombre de Mach incident, du rayon de courbure de la géométrie et des propriétés du gaz. Par la suite, l'étude de la propagation des ondes de choc et leur atténuation dans des conduites de différentes hauteurs et présentant des cavités circulaires creuses de différentes profondeurs a été effectuée. Les résultats ont montré l'importance de la réduction de la hauteur du canal et le changement de la position de la section réduite en plus de l'angle de diffraction et de la profondeur de la cavité pour une meilleure atténuation des ondes. Un arrangement optimal de la position/hauteur du canal et de l'emplacement / profondeur de la cavité a été trouvé.

The propagation of shock waves involves complex interactions between waves and surrounding media, which gives rise to several phenomena such as reflection, diffraction, etc. To shed more light into the fundamental physics associated with these phenomena, high resolution numerical simulations were carried out. In particular, analysis of shock diffraction over double concave cylindrical wedges revealed that the transition angles, from regular to Mach reflection, increase with the Mach number, whereas they are found to be almost the same over the two concave surfaces for the transonic Mach regimes and relatively larger on the second surface for high ones showing that the flow is capable of retaining the memory of the past events over the entire process for the high Mach numbers. The analysis of the vorticity equation balance showed, for the first time, that the diffusion of the vorticity due to the viscous effects is quite important compared to the baroclinic term for low Mach numbers, while this trend is inverted for higher Mach numbers. The study also showed that the stretching of the vorticity due to the compressibility effects plays an important role in the vorticity production. On the basis of these numerical simulations, an approximate universal relation is proposed, allowing to predict the incident-shock trajectory and velocity as a function of the incident-shock Mach number, the radius of curvature of the geometry, and the gas properties. Afterward, the study of shock-waves propagation and their attenuation in channel flow having different heights and exhibiting a hollow circular cavities with different depths has been clone. The results also showed the importance of reducing the height of the channel and changing the position of the reduced section in addition to the diffraction angle and the cavity depth for better shock-waves attenuation. A subtle arrangement of channel position/height and a cavity location/depht was found.