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Objet

L'optimisation de la prise d'air à compression mixte est un des points clé de la conception du système propulsif en croisière supersonique. Ce type d'entrée d'air a une marge de stabilité réduite et pose le problème du contrôle de la position du choc droit au voisinage de la section minimale. L'objectif du projet, développé dans le cadre du Programme "Sciences et Technologies pour le Transport Supersonique" (collaboration LEMFI, ONERA, SINUMEF-ENSAM et LIMSI) et dans lequel s'incrit cette étude, est de se doter des moyens nécessaires à la simulation numérique du fonctionnement d'une prise d'air à compression mixte, aussi bien à l'adaptation, en croisière, que hors adaptation. Une telle simulation exige la représentation correcte de tous les phénomènes d'interactions classiques liés aux effets visqueux, en particulier, au niveau du piège à couche limite. La présente étude se focalise sur les phénomènes instationnaires liés aux interactions onde de choc / couches cisaillées (couche limite, couche de mélange) qui se produisent au voisinage du piège à couche limite.

Description

Afin d'accéder aux analyses approfondies des interactions instationnaires se produisant dans ces écoulements, il est intéressant d'envisager une simulation des grandes échelles (SGE), restreinte à des zones dans lesquelles les instationnarités à grandes échelles contiennent la majeure partie de l'énergie cinétique. La première démarche a consisté en l'analyse des potentialités de la SGE pour la prédiction d'écoulements turbulents compressibles. Dans ce cadre, le développement spatial d'une couche de mélange plane compressible (figure 1) a été simulé pour deux nombres de Mach convectifs [1]. La SGE étant un moyen de calcul relativement onéreux, il est intéressant de limiter le domaine de SGE à la zone d'instationnarités à grande échelle et de prévoir le couplage de la SGE avec une approche utilisant par exemple une modélisation statistique (RANS) de la turbulence. Nous avons tout d'abord montré qu'en partant d'un état initial stationnaire issu d'un calcul RANS, le couplage était possible avec la SGE. Ceci a été effectué pour une interaction choc/couche limite turbulente présente dans la tuyère transsonique 3D (ONERA). Enfin, pour limiter l'étendue du domaine SGE et assurer la couplage avec des valeurs moyennes, un générateur de conditions instationnaires, représentatives des structures spatio-temporelles de l'écoulement, est construit à partir des modes d'une décomposition orthogonale (POD).

Résultats et perspectives

Les SGE sont effectuées à partir du modèle d'échelles mixtes (LIMSI - ONERA). Les résultats [1] de la SGE du développement spatial de la couche de mélange (figure 1) montrent un bon accord aux mesures détaillées (LEA/CEAT, Poitiers) dans la plage des nombres de Mach étudiés (figure 2). Ces résultats montrent un bon comportement de la SGE pour la représentation des effets de compressibilité [1]. Dans le cas de la tuyère 3D transsonique, les résultats de la SGE sont en bon accord avec les mesures expérimentales (ONERA) et les calculs RANS (LEMFI) (figure 3) [2]. Par leurs apports sur les aspects instationnaires, ils complètent utilement les résultats RANS (figure 4). En partant d'états stationnaires issus d'un calcul RANS (LEMFI), nous avons ainsi montré que le couplage RANS-SGE était possible. Dans le but d'établir un générateur de conditions instationnaires, l'idée est de superposer au champ moyen (issu d'un calcul RANS par exemple) des fluctuations de quantités de mouvement à partir des modes propres d'une Décomposition Orthogonale (POD). Cette approche est en cours de validation sur le développement spatial d'une couche limite turbulente de plaque plane (figure 5). L'objectif à plus long terme est, bien sûr, d'accéder à la dynamique d'une interaction onde de choc/couche cisaillée.

Références

[1] L. Doris : <<Simulation des grandes échelles du développement spatial d'une couche de mélange turbulente compressible>>, Thèse de Docteur de l'Université Pierre et Marie Curie (Paris VI), 2000.
[2] L. Coquart : <<Simulation des grandes échelles de l'écoulement instationnaire dans une tuyère 3D transsonique>>, Thèse de Docteur de l'Université Pierre et Marie Curie (Paris VI), 2001.

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