Simulation haute-fidélité de la transition vers la turbulence de couches limites hypersoniques. Contributions à l’étude des effets des rugosités et des structures non-modales - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2022

High Fidelity Simulation of Hypersonic Boundary Layers Transition to Turbulence. Contribution to the Study of Roughness Effects and Non-Modal Structures

Simulation haute-fidélité de la transition vers la turbulence de couches limites hypersoniques. Contributions à l’étude des effets des rugosités et des structures non-modales

Clément Caillaud
  • Function : Author
  • PersonId : 1222171
  • IdRef : 231950497

Abstract

Predicting the boundary layer transition to turbulence around a hypersonic vehicle is a challenging problem of importance for future spacecraft designs. The current PhD thesis contributes to this long-standing issue through high-fidelity simulations of the complex transitional dynamics found in high-speed boundary layers. Specifically, flows including isolated three-dimensional roughness or boundary layer distortions originatingfrom non-modal instabilities are investigated.For the study of such flows, an efficient high-fidelity simulation framework has been developed and validated.This framework allows the computation of multispecies hypersonic flows over curved geometries through high-order methods. Additionally, a set of numerical tools dedicated to the joint study of linear and nonlinear dynamics, as well as the computation of discrete global linear operators has been integrated. These tools provide useful insights into observed physics. For each case of study considered, the effect of a broad bandforcing of the flow is investigated through nonlinear and linearised DNS. Primarily, for a canonical boundary layer, the effect of a white noise forcing on the transition scenario is explored for the first time.This analysis reveals intricate dynamics comprising the superposition of all usual transition scenarios as well as non-linear interactions underlining the richness of the dynamics that could be observed in real conditions. A second study focused on the response of an isolated roughness to a white noise forcing revealed a different leading instability compared to the reference studies using an impulse response. This result shows the sensitivity of the flow to the incoming environment noise content. Finally, multiple new results are found by analysing a boundary layer distorted by growing streaks and its response to a white noise forcing. The various observed instabilities and their identification through advanced postprocessing tools reveal a substantial sensitivity of the transition scenario to the streaks amplitude. Stabilising and destabilising effects are observed, even for low amplitude distortion levels. These new results emphasise the complexity of streaks effects in the linear and non-linear stages of the boundary layer transition.The combined investigations made in this research work highlight the importance of boundary layer distortion and the nature of the forcing environment for the accurate prediction of turbulence onset.
Les objets hypersoniques en vol dans l’atmosphère se déplacent à des vitesses importantes, générant des efforts thermiques extrêmes et posant de véritables limites technologiques. À ces vitesses, lorsque de la turbulence se déclenche le long de la paroi, le flux de chaleur imposé peut augmenter d’un facteur trois à huit, mettant en jeu l’intégrité du véhicule. Pour réduire ces efforts thermiques les objets hypersoniques présentent des géométries courbes et des protections thermiques ablatives qui induisent la présence de nombreuses rugosités. Ces effets géométriques augmentent significativement la complexité du processus de transition et son étude. Ainsi, dans l’objectif d’optimiser la conception des véhicules hypersonique, la compréhension de ces mécanismes de transition à la turbulence de la couche limite est essentielle.Devant ces considérations, ce travail de recherche présente un ensemble d’outils et de résultats permettant de simuler et décrire les mécanismes physiques en jeux dans le déclenchement de la turbulence. Trois années de réflexions ont amené à la construction d’un code de simulation haute-fidélité efficace, permettant de réaliser des calculs précis d’écoulements hypersoniques, multi-espèces, sur des géométries courbes. Un jeu de méthodes numériques dédié à l'étude des dynamiques linéaires, non-linéaires et des opérateurs linéaires globaux a été intégré et sert à apporter des informations sur la physique observée.Avec ces outils les simulations DNS réalisées se sont intéressées aux scénarios « naturels » de transition à la turbulence pour des couches limites hypersoniques soumises à des déformations que pourraient induire des rugosités d’ablation ou de la courbure. Ces déformations sont rarement étudiées, bien qu’elles représentent une composante essentielle des écoulements réalistes. Ainsi, la dynamique complexe des scénarios étudiés est décomposée à l’aide d’outils avancés d’analyse de données et de traitement du signal. Cette décomposition met alors en avant les principaux mécanismes physiques en jeu et le chemin suivi par la dynamique de l’écoulement jusqu’à la turbulence.En conclusion, ces études des effets de déformations ont permis d'apporter des résultats originaux sur la physique fine de la transition à la turbulence hors du cadre canonique. Principalement, des variations importantes du scénario de transition avec la déformation ont été retrouvées. De nombreux modes émergeant du forçage bruit blanc sont identifiés et les effets notables de la déformations sur les étapes de réceptivité, de croissance modale et de non-linéarité des mécanismes de transition sont mis en lumières. Pour ces effets, une première description détaillée des mécanismes en jeu est proposée. Les résultats obtenus soulignent alors la difficulté d’établir un critère général de prédiction de la transition et servent à la compréhension de la dynamique de la couche limite, pour des configurations toujours plus complexes.
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tel-03967813 , version 1 (01-02-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03967813 , version 1

Cite

Clément Caillaud. Simulation haute-fidélité de la transition vers la turbulence de couches limites hypersoniques. Contributions à l’étude des effets des rugosités et des structures non-modales. Autre. ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechique - Poitiers, 2022. Français. ⟨NNT : 2022ESMA0014⟩. ⟨tel-03967813⟩
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