Simulation numérique de dispositifs de contrôle du buffeting culot et de l’ovalisation de la tuyère sur des configurations de lanceur Romain PAIN Doctorant 2ème année DAAP/MHL Encadrant ONERA: Pierre-Elie Weiss Directeur de thèse: Sébastien Deck Bourse: Cofinancement CNES / ONERA

Contexte de l’étude a) b) Zone d’arrière-corps : écoulement fortement turbulent et caractérisé par des décollements massifs. >> La dynamique du champ de pression fluctuante est pilotée par des modes azimutaux (m=1,…,n). Ariane 5 au décollage [2]. m=1 mode ‘Buffeting’ antisymétrique – charges latérales m=2 mode ‘Ovalisation tuyère’ – symétrique – Ovalisation de la tuyère a) b) [1] Östlund et al, Applied Mechanics Reviews, May 2005. [2] Ariane 5 au décollage – Site internet ONERA.fr, 2010. Modes de vibrations de la tuyère – a) Mode pendule b) mode d’ovalisation. Issu de [1]. Simulation numérique d’arrière-corps de type lanceur.

Objectifs scientifiques m=1 mode ‘Buffeting’ antisymétrique – charges latérales m=2 mode ‘Ovalisation tuyère’ – symétrique – Ovalisation de la tuyère a) b) Comprendre l’organisation du champ de pression Proposer des systèmes de contrôle de l’ovalisation de tuyère (mode m=2) au moment du décollage.

Synthèse bibliographique Fréquences caractéristiques de l’écoulement ‘Kelvin-Helmholtz’ Formation des instabilités de Kelvin-Helmholtz ‘Flapping’ Battement de la couche de mélange ‘Impact of coherent structures’ Impact de la couche de mélange sur la paroi de l’émergence ‘Vortex Shedding’ Lâcher tourbillonnaire Nombre de Strouhal :

Plan de travail Étude bibliographique Écoulement décollés recollés. Recensement des fréquences caractéristiques (associées aux modes 1 et 2). Analyse physique de la dynamique de l’écoulement Identification des mécanismes physiques à l’origine du mode m=2. Évaluation / choix / développement d’outils de post-traitement pour analyser / quantifier l’effet de chaque mode sur la dynamique de l’écoulement. Identification des zones de réceptivité potentielle pour le contrôle du mode m=2 Étude des modes dynamiques (Collaboration: J. C. Robinet – SINUMEF). Analyse spectrale approfondie (spectres, corrélations 1 et 2 points). Contrôle du mode m=2 Définition et mise en œuvre d’une méthode de contrôle orientée par les observations de la partie II. Estimation des effets du contrôle Évaluation / choix / développement d’outils de post-traitement pour analyser l’effet du contrôle sur la dynamique de l’écoulement. Bilan: Biblio: on a identifié les principales fréquences dans les écoulements décollés recollés On a élargi le domaine d’étude biblio (cavités, jets, …) pour trouver des pistes sur l’analyse du mode m=2 Calcul: Calcul URANS bientôt achevé ZDES en cours A court terme: Définition d’une géométrie simple mais représentative (Configuration S3CH avec les dards dans la prolongation des boosters

Avancement des travaux (1/6) Configuration tri-corps type Ariane 5 et plans de coupe du maillage. Plans, points (ci-dessus) et volumes (ci-dessous) échantillonnés au cours du calcul. Géométrie simplifiée de type Ariane 5: Maillage structuré - 32 Millions de points: 240 points dans la direction azimutale Méthode de simulation: Hybride URANS/LES (ZDES) [3] Temps d’acquisition signal: 200 ms (stockage des volumes autour de l’émergence du cylindre central) [3] Deck, Theoretical Computational Fluid Dynamics, in press, 2011.

Avancement des travaux (2/6) Analyse du champ statistique (1/2) Organisation « bi-lobes » des coefficients de pression pariétale moyenne. Organisation « quadri-lobes » des coefficients de pression pariétale RMS. Cp. Cprms.

Avancement des travaux (3/6) Analyse du champ statistique (2/2) Recollement solide sur émergence dans le plan (NB) – Recollement solide sur les cylindres latéraux dans le plan (B). Longueur de recollement (Lr) réduite de 26 % dans plan (NB) du cas tri-corps par rapport au cas axisymétrique. Cas axisymétrique – Cp et Cprms issu de [4]. Cas tri-corps – Cp et Cprms dans les deux plans de symétrie: (haut) plan (B) et (bas) plan (NB). [4] Weiss et al, Phys. Fluids, 2009.

Avancement des travaux (4/6) Analyse du champ instantané (1/2) Départ des instabilités de type Kelvin-Helmholtz au niveau du point de décollement. Structures cohérentes 2D de la couche de mélange rapidement tridimensionnalisées. 3 6 5 Capteur 0 Capteur 3 Cas tri-cops - Isosurfaces de critère Q adimensionné et strioscopie numérique dans les plans (NB) (haut) et (B) (bas). Capteur 6 Capteur 5

Avancement des travaux (5/6) Analyse du champ instantané (2/2) Cas d’arrière-corps axisymétrique: localisation des contributions énergétiques fortes pour quatre fréquences caractéristiques principales. Cas axisymétrique - Isosurfaces correspondant à 60 % de la valeur maximale de fG(f)/Pdyn² pour quatre fréquences caractéristiques.

Avancement des travaux (6/6) Cas avec contrôle fluidique L’organisation globale de la pression moyenne et RMS persiste malgré les jets fluidiques continus au niveau du culot. Cp dans les plans (NB) et (B) et à la paroi. Cprms dans les plans (NB) et (B) et à la paroi.

Synthèse Une nette influence des cylindres latéraux apparaît avec la modification de: La direction et la longueur moyenne de recollement (Lr). L’organisation des Cp et Cprms pariétaux. L’organisation des Cp et Cprms ne semble pas être affectée par le dispositif de contrôle appliqué. L’étude du champ instantané a été initiée sur la première partie du signal d’acquisition. 12

Publications/Communications congrès – Formation doctorale Publication(s) prévue(s): AIAA Journal (Rédaction en cours). Physics Of Fluids (Rédaction en cours). Participation à un congrès prévue: ETMM9 (ERCOFTAC), 6-8 Juin 2012, Thessaloniki, Grèce (Abstract soumis). Formation doctorale: Mécanique des fluides: Simulation des écoulements turbulents, Mars 2011, Collège de X, Paris (75). Formation calcul parallèle MPI (Formation Interne ONERA), Octobre 2011, ONERA Chatillon (92). Separated Flows (Master Mécanique des Fluides UPMC – ENSAM – ENSTA - Ecole Polytechnique), Décembre 2011 – Janvier 2012, Ecole Polytechnique Palaiseau (92).

Annexe Cas axisymétrique - Contours et Isosurfaces de fG(f)/σ² pour quatre fréquences caractéristiques.