Ablation d’un matériau de protection thermique en régime turbulent - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2023

Ablation of a thermal protection material in the turbulent regime

Ablation d’un matériau de protection thermique en régime turbulent

Résumé

During re-entry into the atmosphere, the surface of a spacecraft’s nosetip is subjected to very intense pressure and heat flux (higher than 10 MW/m 2 in some cases). To guarantee the integrity of the re-entry body under such conditions, thermal protection systems, usually based on ceramic materials, had to be developed. The extreme temperatures and heat fluxes encountered by this protection lead to oxidation and sublimation of the carbon composing it, resulting in its ablation. The dissipation of energy due to this loss of mass then delays the heating of the re-entry body. During the ablation process, scallop-like patterns appear. These structures, related to a coupling between the turbulent boundary layer developing on the surface of the object and the erodible wall, cause increased wall heat transfer, thereby accelerating the degradation of the thermal protection.Similar patterns can also occur in a wide variety of geophysical environments where an erodible wall is sheared by a fluid flow. In these situations, the flow is incompressible, and there exists an empirical correlation, proposed by Thomas (1979), connecting pattern size to turbulent boundary layer features. The aim of this thesis is to understand the role of turbulence in the growth of scallops during the first instants of their formation. As a first step, a coupled aerothermal-ablation simulation was carried out on the basis of a flight test available in the literature (Hochrein and Wright, 1976), and enabled to establish a connection between the patterns encountered during heat shield ablation and the Thomas (1979) correlation. Secondly, the ripple patterns are seen as a harmonic sinusoidal deformation of the wall. The historical approach (Thorsness et al., 1978; Charru et al., 2013; Claudin et al., 2017) used to study the growth of periodic patterns was taken up, and studies of forced linear responses of an inner region of a turbulent boundary layer growing on a corrugated wall were carried out.Their comparison with RANS (Reynolds Averaged Navier–Stokes) simulations, a DNS (Direct Numerical Simulations) database and experimentalresults from Hanratty and co-workers (Zilker et al., 1977; Abrams and Hanratty, 1985; Frederick and Hanratty, 1988) highlighted the failure of the Boussinesq hypothesis for a specific range of wavelengths of the wall deformation, and its consequences in predicting the emergence of a preferred wavelength during wall regression. It was shown that a second-order turbulence model can recover the reference results, particularly with regard to shear stress and heat flux at the wall, illustrating the importance of the difference between diagonal Reynolds stresses, poorly represented by the Boussinesq hypothesis. Drawing on Hanratty’s work, ad-hoc corrections were then proposed and, despite the limitations of this approach, proved their effectiveness in improving the performance of first-order turbulence models. Finally, to conclude this work, a preliminary study looked at the three-dimensional extension of linear analyses to investigate the influence of potential wall curvature.
Lors de sa rentrée dans l’atmosphère, la surface de la pointe avant d’un véhicule spatial est soumise à des pressions et des flux thermiques très intenses (parfois supérieurs à 10 MW/m 2 ). Afin de garantir l’intégrité du corps de rentrée dans de telles conditions, des systèmes de protection thermique, généralement à base de matériaux céramiques, ont dû être développés. Les températures et flux de chaleurs extrêmes que doit supporter cette protection entraînent l’oxydation et la sublimation du carbone qui la compose, conduisant à son ablation. La dissipation d’énergie due à cette perte de masse retarde alors l’échauffement du corps de rentrée. On observe durant ce processus d’ablation l’apparition de creusements macroscopiques semblables à des coups de gouge (que l’on nomme scallops en anglais). Ces structures, liées à un couplage entre la couche limite turbulente qui se développe à la surface de l’objet et la paroi érodable, provoquent une augmentation des transferts thermiques pariétaux à la surface du corps de rentrée, ce qui tend à accélérer la dégradation de la protection thermique.Des creusements similaires peuvent également apparaître dans une grande variété d’environnements géophysiques où une paroi érodable est cisaillée par un écoulement de fluide. Dans ces situations, ’écoulement est incompressible, et il existe une corrélation empirique, proposée par Thomas (1979), permettant de relier la taille des motifs aux caractéristiques de la couche limite turbulente. L’objectif de cette thèse est de comprendre le rôle de la turbulence dans la croissance des coups de gouge lors des premiers instants de leur formation. Dans un premier temps, une simulation couplée aérothermique-ablation a été menée à partir d’un essai en vol disponible dans la littérature (Hochrein et Wright, 1976), et a permis de faire le lien entre les coups de gouge rencontrés lors de l’ablation d’un bouclier thermique et la corrélation de Thomas (1979). Dans un second temps, les creusements sont vus comme une déformation sinusoïdale harmonique de la paroi. L’approche historique (Thorsness et al., 1978; Charru et al., 2013; Claudin et al., 2017) utilisée pour étudier la croissance de motifs périodiques a été reprise et des études de réponses linéaires forcées d’une région interne de couche limite turbulente se développant sur une paroiondulée ont ainsi été réalisées. Leur comparaison avec des simulations RANS (Reynolds Averaged Navier–Stokes), une base de données de DNS (Direct Numerical Simulations) et les résultats expérimentaux d’Hanratty et al. (Zilker et al., 1977; Abrams et Hanratty, 1985; Frederick et Hanratty, 1988) ont montré la mise en défaut de l’hypothèse de Boussinesq pour une certaine gamme de longueurs d’onde de la déformation de la paroi, et ses conséquences sur la prévision de l’émergence d’une longueur d’onde privilégiée lors de la régression de la paroi. Il a également été mis en avant qu’un modèle de turbulence au second ordre permet de retrouver les résultats de référence, notamment en ce qui concerne le cisaillement et le flux thermique à la paroi, illustrant l’importance de la modélisation des tensions de Reynolds diagonales mal représentées par l’hypothèse de Boussinesq. En s’inspirant des travaux d’Hanratty, des corrections ad-hoc ont ensuite été proposées et, malgré les limites de cette approche, ont prouvé leur efficacité pour améliorer les performances des modèles de turbulence au premier ordre. Enfin, pour conclure ces travaux, une étude préliminaire s’est intéressée à l’extension en trois dimensions des analyses linéaires dans le but d’étudier l’influence d’une éventuelle courbure de la paroi.
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Citer

Maxime Stuck. Ablation d’un matériau de protection thermique en régime turbulent. Sciences de l'ingénieur [physics]. ISAE Toulouse, 2023. Français. ⟨NNT : 2023ESAE0069⟩. ⟨tel-04654531⟩
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