Prise en compte de l’ionisation et du rayonnement dans la modélisation des écoulements de rentrée terrestre et martienne

Other literature type French OPEN
Soubrié, Tristan (2006)
  • Subject: Hypersonique | Rentrée atmosphérique | Ecoulement faiblement ionisé | Rayonnement | Schéma de Roe | Schéma de relaxation | 532

Ce travail porte sur la simulation numérique des écoulements de rentrée martienne et terrestre. Parmi les phénomènes physico-chimiques complexes mis en jeu, les points abordés concernent plus particulièrement l'ionisation du gaz dans la couche de choc et l'effet du rayonnement sur les flux thermiques pariétaux. Le traitement de l'ionisation repose sur l'approche de Coquel-Marmignon permettant d’écrire le système d’équations sous forme conservative. L'approche numérique est basée sur le schéma de Roe et elle est validée sur trois cas d'épreuve pour des vitesses allant jusqu’à 11km/s. Un schéma de relaxation, plus simple de mise en œuvre et mieux adapté, est également proposé. Le traitement du rayonnement dépend du cas d’application. Pour les applications terrestres, le modèle de propriétés radiatives est de type raie-par-raie et la méthode de résolution de l'équation de transfert radiatif est la méthode des plans tangente. Les champs hydrodynamique et radiatif sont couplés par une méthode itérative. La comparaison avec les mesures en vol de la campagne FIRE II montre que l'approche est satisfaisante, excepté lorsque l'approximation liée aux plans tangente n’est plus valable (faible rayon de nez, loin de la région d’arrêt). Au point d’arrêt, le rayonnement participe jusqu'à 40% à l'échauffement pariétal. Pour les applications martiennes, le modèle de propriétés radiatives, limité aux contributions des espèces CO et CO[indice 2] dans l'infrarouge, est de type statistique à bandes étroites et la méthode numérique de type Monte Carlo. La méthode de couplage hydrodynamique/rayonnement est similaire au cas terrestre. Les calculs, menés sur un véhicule générique typique de la mission Mars Premier, montrent qu’au niveau de l'arrière-corps, le rayonnement contribue de manière significative à l'échauffement pariétal. This work deals with numerical simulation of entry probes in martian and earth atmospheres. Among the complex physico-chemical phenomena occuring in such flows, the issues adressed herein concern in particular ionisation in the shock layer and radiation effect on thermal fluxes at the wall. The treatment of ionisation is based on Coquel-Marmignon approach, which enables to write the equation system under conservative form. The numerical approach is based on Roe’s scheme and is validated on three testcases for velocities reaching 11km/s. A relaxation scheme, simpler to implement and better adapted, is also proposed. The treatment of radiation depends on the application case. For Earth entries, the radiative properties model is based on a line-by-line approach and the radiative transfer method follows the tangent slab approximation. Hydrodynamic and radiative fields are coupled using an iterative method. Comparison with FIRE II flight data shows that the approach is satisfactory, except when the tangent slab approximation is no more valid (low nose radius, away from the stagnation region). At stagnation point, radiation participates up to 40% of the wall heating. For martian entries, the radiative properties model is limited to contributions of CO and CO2 species in the infrared part of the spectrum using a Statistical Narrow Band model. Radiative transfers are computed using a Monte Carlo method. Hydrodynamic/radiation coupling follows the same approach as for the Earth case. Calculations, done on a generic vehicle geometry typical of Mars Premier mission, show that on the rear part, radiation contributes significantly to the wall heating.
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