Simulation numérique de l'ablation liquide

Numerical simulation of liquid ablation

• Auteur / Autrice : Lucas Tallois
• Direction : Philippe Villedieu, Simon Peluchon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Aéronautique-Astronautique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mathématiques de Toulouse (2007-....) - Institut de Mathématiques de Toulouse
• Jury : Président / Présidente : Hélène Mathis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Raphaël Loubère, Guillaume Puigt
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Helluy, Samuel Kokh

Mots clés

Mots clés contrôlés

Compressibilité

Simulation par ordinateur

Mots clés libres

Simulation numérique

Écoulements compressibles

Problèmes multi-Physiques

Multi-Physical problems

Numerical simulation

Compressible flow

Résumé

Lors de sa rentrée dans l'atmosphère d'une planète, un engin spatial tel qu'une sonde, par exemple, subit un échauffement important dû au frottement des gaz atmosphériques. Afin de garantir l'intégrité de la structure, l'avant de la capsule qui subit le freinage est recouvert d'un bouclier thermique. La surface de ce bouclier thermique subit une dégradation physico-chimique globalement appelée ablation. La fusion de la partie métallique ainsi que la sublimation de la structure en carbone donnent lieu à un écoulement diphasique complexe.L'écoulement diphasique est résolu par une méthode d'interface diffuse basée sur le modèle à cinq équations en considérant les effets liés à la dissipation visqueuse, la conduction thermique ainsi que la tension de surface. La résolution numérique de la partie fluide est basée sur une décomposition d’opérateurs entre la partie dite « acoustique » regroupant les phénomènes physiques potentiellement présents dans l’écoulement fluide et une partie liée au transport des quantités conservatives. Les grands rapports de densité entre les deux fluides ainsi que les phénomènes physiques pris en compte induisant une contrainte de pas de temps très restrictive, l’étape « acoustique » est résolue avec un schéma temporel implicite par un solveur de Riemann approché tandis que l’étape de « transport » est résolue par un schéma explicite. La diffusion thermique dans le domaine solide est résolue avec un schéma implicite. Les effets liés à la tension de surface sont étudiés sous deux formulations : une forme conservative discrétisée naturellement et une forme non-conservative directement prise en compte dans le solveur de Riemann. Une méthode MUSCL permet d’étendre les schémas numériques à l’ordre deux, et un limiteur compressif est utilisé afin de limiter la diffusion numérique de l’interface liquide/gaz.Les conditions de couplage à l'interface fluide-solide sont déterminées grâce aux bilans de masse et d'énergie. Une formulation ALE des équations permet de suivre le front de fusion avec précision en déformant les maillages. L’extension des méthodes numériques dans les coordonnées cylindrique permet d’étudier des configurations axisymétriques.

During re-entry into a planet's atmosphere, a spacecraft such as a probe, for example, undergoes significant heating due to friction with atmospheric gases. To ensure structural integrity, the front of the capsule undergoing braking is covered by a heat shield. The surface of this heat shield undergoes physico-chemical degradation known as ablation. Melting of the metal part and sublimation of the carbon structure give rise to a complex two-phase flow.The two-phase flow is solved using a diffuse interface method based on the five-equation model, taking into account the viscous dissipation, thermal conduction and surface tension effects. The numerical resolution of the fluid part is based on operator splitting between the so-called "acoustic" part, grouping together the physical phenomena potentially present in the fluid flow, and a part linked to the transport of conservative quantities. As the high density ratios between the two fluids and the physical phenomena taken into account induce a very restrictive time step constraint, the "acoustic" step is solved with an implicit time scheme by an approximate Riemann solver, while the "transport" step is solved with an explicit scheme. Thermal diffusion in the solid domain is solved with an implicit scheme. Surface tension effects are studied under two formulations: a naturally discretized conservative form and a non-conservative form directly taken into account in the Riemann solver. A MUSCL method is used to extend the numerical schemes to second order, and a compressive limiter is used to limit the numerical diffusion of the liquid/gas interface.Coupling conditions at the fluid-solid interface are determined using mass and energy balances. An ALE formulation of the equations enables the melting front to be followed precisely by mesh deformation. The extension of numerical methods to cylindrical coordinates enables us to study axisymmetric configurations.