analyse physique et simulation num©rique des ©coulements

Download Analyse physique et simulation num©rique des ©coulements

Post on 05-Jan-2017

233 views

Category:

Documents

3 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • HAL Id: tel-00011622https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00011622

    Submitted on 15 Feb 2006

    HAL is a multi-disciplinary open accessarchive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come fromteaching and research institutions in France orabroad, or from public or private research centers.

    Larchive ouverte pluridisciplinaire HAL, estdestine au dpt et la diffusion de documentsscientifiques de niveau recherche, publis ou non,manant des tablissements denseignement et derecherche franais ou trangers, des laboratoirespublics ou privs.

    Analyse physique et simulation numrique descoulements compressibles. Application aux tuyres de

    propulseursAbdellah Hadjadj

    To cite this version:Abdellah Hadjadj. Analyse physique et simulation numrique des coulements compressibles. Appli-cation aux tuyres de propulseurs. Modlisation et simulation. Universit de Rouen, 1997. Franais.

    https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00011622https://hal.archives-ouvertes.fr

  • THESE

    presentee en vue de lobtention du titre de

    DocteurFaculte des Sciences - Universite de Rouen

    Discipline : MecaniqueSpecialite : Mecanique des Fluides

    par

    Abdellah Hadjadj

    ANALYSE PHYSIQUE ET SIMULATION

    NUMERIQUE DES ECOULEMENTS

    COMPRESSIBLES APPLICATION AUX

    TUYERES DE PROPULSEURS

    Date de soutenance : 13 janvier 1997

    Membres du jury

    Rapporteurs :

    T. Alziary Professeur, ENSMA/LEA, Poitiers

    J. Delery Professeur, Universite de Versailles, Chef de divisionAerodynamique fondamentale, ONERA, Meudon

    Examinateurs :

    L. de Chanterac Ingenieur principal, DRET, Paris

    G. Degrez Professeur, Institut von Karman, Bruxelles

    V. Duthoit Ingenieur, Societe Europeenne de Propulsion, Vernon

    H. Ha Minh Professeur, Institut National Polytechnique, Toulouse

    W. Koschel Professeur, Directeur de la Propulsion Spatiale au DLR, Allemagne

    M. Trinite Directeur de Recherches, C.N.R.S.

    D. Vandromme Professeur, INSA, Rouen

    L. Vervisch Professeur, INSA, Rouen

    P. Vuillermoz Ingenieur, Centre National des Etudes Spatiales, Evry

    These preparee au sein du Laboratoire de Mecanique des Fluides Numerique,LMFN-CORIA, UMR 6614 CNRS.

  • ii

  • iii

    Avant-propos

    Ce travail a ete realise au Laboratoire de Mecanique des Fluides Numerique(L.M.F.N.), laboratoire rattache a lUMR CNRS 6614 CORIA. Je remercie MonsieurM. Trinite, directeur du CORIA, de my avoir accueilli et de mavoir fait lhonneur departiciper au jury de these.

    Monsieur Dany Vandromme, professeur a lINSA de Rouen, est le promoteur de cettethese. Je tiens a le remercier vivement de mavoir accueilli dans son equipe. Son experiencede recherche et ses idees mont ete dune grande aide.

    Je tiens a remercier tres vivement Messieurs J. Delery, responsable de la Division delAerodynamique Fondamentale de LONERA, et T. Alziary de Roquefort, professeura lENSMA de Poitiers pour avoir bien voulu supporter la charge de rapporteur demon memoire de these, ainsi que Messieurs L. De Chanterac, G. Degrez, V. Duthoit,H. Ha Minh, W. Koschel, L. Vervisch, P. Vuillermoz pour avoir accepte de faire partie demon jury de these.

    Jai aussi apprecie laide de Didier Vuillamy, ingenieur a la SEP, qui, tout au long de mathese, a su me faire part de nombreux conseils judicieux concernant lavancement de mestravaux sur le decollement de jet dans les tuyeres de moteurs fusee et de la redaction demon memoire de these. Quil soit ici remercie.

    Jadresse a Francoise Walle et a Natacha Manzano ma plus sincere reconnaissance pourtoute laide quelles ont pu mapporter sur le plan Visualisation Graphique et AnimationsVideo. Elles ont su, grace a leur realisation video, mettre en valeur une grande partie demon travail. Je ne saurais oublier toute la bienveillance, la disponibilite et lamitie dontelles ont fait preuve.

    Lenvironnement informatique fut precieux et indispensable. Je tiens a remercier lesmembres du CRIHAN, specialement Alain Massiot, Eric Viellet et Herve Prigent pourleur gentillesse et de leur disponibilite.

    Enfin, je remercie du fond de mon cour tous mes amis et toute ma famille de la joie, dela confiance et du soutien moral quils ont apportes a mon travail.

  • iv TABLE DES MATIERES

    Table des matieres

    Table des matieres iii

    1 Introduction 11.1 Cadre de letude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Plan du memoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

    2 Equations et modeles de turbulence 52.1 Equations de Navier-Stokes instantanees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Equations du mouvement moyen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.3 Equation de transport des contraintes de

    Reynolds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.4 Fermeture du systeme dequations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

    2.4.1 Modelisation des flux turbulents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.4.2 Recapitulatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

    2.5 Modeles de turbulence a echelle unique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.5.1 Modeles algebriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.5.2 Modeles a deux equations de transport . . . . . . . . . . . . . . . . 13

    2.6 Modeles de turbulence a echelles multiples . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.6.1 Concept et idee de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.6.2 Modeles a deux echelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.6.3 Modele multi-echelles aux tensions de Reynolds

    (RSM multi-echelles) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

    3 Methode numerique 213.1 Mise en forme des equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.2 Integration numerique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

    3.2.1 Methode des volumes finis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.2.2 Fractionnement des flux Euleriens . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.2.3 Amelioration du schema eulerien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.2.4 Cas tests de validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.2.5 Tube a choc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.2.6 Reflexions de chocs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.2.7 Termes visqueux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

  • TABLE DES MATIERES v

    3.2.8 Termes sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

    3.2.9 Operateur implicite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

    4 Traitement des conditions aux limites 43

    4.1 Principe de la methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

    4.2 Systeme dequations caracteristiques 2D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

    4.2.1 Mise en forme caracteristique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

    4.2.2 Mise en forme primitive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

    4.3 Mise en oeuvre des conditions aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

    4.3.1 Entree subsonique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

    4.3.2 Entree / Sortie supersoniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

    4.3.3 Sortie subsonique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

    4.4 Conditions de Non-Reflexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

    4.4.1 Conditions de Non-Reflexion de Rudy (1981) . . . . . . . . . . . . . 48

    4.4.2 Conditions de Non-Reflexion de Giles (1991) . . . . . . . . . . . . . 52

    4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

    5 Ecoulements dans des tuyeres de moteur fusee 57

    5.1 Motivations et objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

    5.2 Etat de lart sur le decollement stationnaire . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

    5.2.1 Resultats experimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

    5.2.2 Theorie du decollement et interaction libre . . . . . . . . . . . . . . 60

    5.2.3 Simulation Numerique de lamorcage du moteur J-2S . . . . . . . . 61

    5.3 Etude parametrique du decollement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

    5.3.1 Etude de la sensibilite au maillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

    5.3.2 Conditions initiales et aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

    5.3.3 Resultats et exploitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

    5.3.4 Influence de la nature de la couche limite . . . . . . . . . . . . . . . 68

    5.3.5 Influence du rapport de pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

    5.3.6 Influence de . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

    5.3.7 Influence de la geometrie de la tuyere . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

    5.3.8 Analyse phenomenologique du decollement . . . . . . . . . . . . . . 72

    5.3.9 Criteres de decollement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

    5.3.10 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

    5.4 Etude du decollement instationnaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

    5.4.1 Experience de J.D. McKenney (1949) . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

    5.4.2 Experience de R.P Fraser et al (1959) . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

    5.4.3 Experience de R.A. Lawrence (1963) . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

    5.4.4 Causes de lapparition des efforts lateraux . . . . . . . . . . . . . . 86

    5.4.5 Simulation numerique de lamorcage de la tuyere

View more >