PROPOSITION DE SUJET DE THESE
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PROPOSITION DE SUJET DE THESE
Simulation numérique directe des couches limites laminaires en régime
Intitulé :
hypersonique avec revêtement poreux à la paroi
Référence : MFE-DMPE-2021-03
(à rappeler dans toute correspondance)
Début de la thèse : octobre 2021 Date limite de candidature :
Mots clés
Transition laminaire-turbulent, écoulements hypersoniques, simulation numérique
Profil et compétences recherchées
Formation ingénieur/universitaire en mécanique des fluides. Connaissances en méthodes numériques
appréciées. Goût pour la compréhension physique des phénomènes.
Présentation du projet doctoral, contexte et objectif
Des considérations stratégiques poussent les Etats à développer des véhicules capables d’évoluer dans le
régime hypersonique, c’est-à-dire à des vitesses supérieures à Mach 5. Dans ce régime, de nombreux défis
apparaissent pour simuler correctement l’écoulement d’air autour de l’objet en vol, l’un d’entre eux étant le
passage d’un régime laminaire à un régime turbulent de la couche limite qui se crée au voisinage de la paroi.
Ce mécanisme, dénommé transition laminaire-turbulent, s’accompagne lors du passage au régime turbulent
d’une augmentation significative des transferts de chaleur entre le fluide et la paroi, ainsi que du frottement
pariétal. Il est donc essentiel de pouvoir reproduire ce phénomène dans les études de conception des
véhicules, et donc dans un premier temps de le comprendre correctement. C’est dans ce cadre que se situe
ce projet doctoral.
Dès que le nombre de Mach à l’extérieur de la couche limite dépasse 4, et en l’absence de phénomènes de
dégradation de la surface, la transition vers la turbulence est gouvernée par l’amplification spatio-temporelle
d’ondes au sein de la couche limite qui se comportent comme des ondes acoustiques piégées entre la paroi
et une ligne sonique. Elles sont de ce fait très sensibles à l’impédance de la paroi : des expériences ont
montré qu’en recouvrant la paroi d’un revêtement poreux, on stabilisait l’onde prédominante (appelée mode 2
de Mack) et on repoussait ainsi vers l’aval du corps la position de la transition vers la turbulence. Ce
comportement a aussi été reproduit numériquement par plusieurs équipes, dont l’ONERA, qui a réalisé ces
simulations avec le solveur JAGUAR, co-développé avec le Cerfacs. Ce solveur dispose de fonctionnalités
numériques HPC, de schémas d’ordre élevé et d’une condition aux limites d’impédance temporelle
permettant de reproduire l’effet du revêtement poreux ; il a aussi été pourvu de fonctionnalités d’optimisation
par différenciation automatique. En parallèle, des analyses de stabilité de l’écoulement de couche limite ont
été effectuées afin de comparer les modes propres de la couche limite aux ondes captées dans la simulation.
Cette étude a confirmé le pouvoir fortement stabilisant du revêtement poreux sur le mode 2 de Mack, mais a
aussi mis en lumière un effet significatif de la rupture d’impédance entre la paroi lisse et la paroi poreuse, qui
fait apparaître dans certaines circonstances un rayonnement acoustique à l’extérieur de la couche limite. La
thèse se placera dans la continuité de ces travaux, en étudiant théoriquement et numériquement ces
phénomènes afin de mieux les comprendre et de pouvoir proposer des stratégies d’optimisation en jouant sur
les paramètres des modèles d’impédance de la paroi poreuse. On s’attachera aussi à investiguer les effets de
ratio entre la température de la paroi et celle de l’écoulement, ainsi que les effets de gaz réels propres aux
écoulements hypersoniques à haute enthalpie, qui sont connus pour impacter significativement la croissance
des ondes instables de la couche limite laminaire.
Collaborations envisagées
Ces travaux pourront bénéficier des collaborations existantes entre l’ONERA et les membres du groupe
OTAN AVT-346 sur la transition en hypersonique. Le développement du code Jaguar se fait en collaboration
avec le Cerfacs.
GEN-F160-10 (GEN-SCI-029)Laboratoire d’accueil à l’ONERA Directeur de thèse
Département : Département Multi-Physique pour l’Energétique Nom : Estelle Piot
Lieu (centre ONERA) : Toulouse Laboratoire : ONERA/DMPE
Contact : José Cardesa/J.Ph. Brazier/H. Deniau Tél. : 05 62 25 28 12
Tél. : 05 62 25 25 21 Email : Email : estelle.piot@onera.fr
jose.cardesa_duenas@onera.fr, jean-
philippe.brazier@onera.fr, hugues.deniau@onera.fr
Pour plus d’informations : https://www.onera.fr/rejoindre-onera/la-formation-par-la-recherche
GEN-F160-10 (GEN-SCI-029)NOTA :
La proposition de sujet de thèse est destinée à être publiée et doit être rédigée à destination des
candidats. Eviter les acronymes et le jargon technique. Mettre en avant les compétences qui
seront acquises au cours de la thèse.
La motivation de la proposition de sujet et les compléments à destination de la DSG sont à
renseigner ci-dessous.
Le sujet doit impérativement être validé par le département du proposant et diffusé à la DSG
par l'intermédiaire de l'Adjoint Scientifique.
PARTIE DESTINEE EXCLUSIVEMENT A LA DSG
Les rubriques suivantes doivent être dûment renseignées :
1. Domaine et thématique scientifique, défi et feuille de route adressés
Domaine scientifique principal (MAS / MFE / PHY / SNA / TIS) : MFE
Thématique scientifique principale (liste ici) : Ecoulements hypersoniques
Défi du PSS (liste ici) : 4
Feuille(s) de route (liste ici) : 6-1, 10-2.1
2. Objet de la thèse
Simulation numérique directe des couches limites laminaires en régime hypersonique avec
revêtement poreux à la paroi
3. Descriptif de la thèse
a. Quels sont les problèmes qui se posent ?
Des considérations stratégiques poussent les Etats à développer des vecteurs capables
d’évoluer dans le régime hypersonique, c’est-à-dire à des vitesses supérieures à Mach 5.
Dans ce régime, de nombreux défis apparaissent pour simuler correctement l’écoulement
d’air autour de l’objet en vol, l’un d’entre eux étant le passage d’un régime laminaire à un
régime turbulent de la couche limite qui se crée au voisinage de la paroi. Ce mécanisme,
dénommé transition laminaire-turbulent, s’accompagne lors du passage au régime
turbulent d’une augmentation significative des transferts de chaleur entre le fluide et la
paroi, ainsi que du frottement pariétal. Il est donc essentiel de pouvoir capter ce
phénomène dans les études de conception des vecteurs, et donc dans un premier temps
de le comprendre correctement.
b. Quel est l'état de l'art ?
Dès que le nombre de Mach à l’extérieur de la couche limite dépasse 4, et en l’absence de
phénomènes de dégradation de la surface, la transition vers la turbulence est gouvernée
par l’amplification spatio-temporelle d’ondes au sein de la couche limite qui se comportent
comme des ondes acoustiques piégées entre la paroi et une ligne sonique [1]. Elles sont de
ce fait très sensibles à l’impédance de la paroi : des expériences ont montré qu’en
recouvrant la paroi d’un revêtement poreux, on stabilisait l’onde prédominante (appelée
mode 2 de Mack) et on repoussait ainsi vers l’aval du corps la position de la transition vers
la turbulence [2] [3]. Ce comportement a aussi été reproduit numériquement par plusieurs
équipes [4] [5] [6], dont l’ONERA [7], qui a réalisé ces simulations avec le solveur JAGUAR,
co-développé avec le Cerfacs. Ce solveur dispose de fonctionnalités numériques HPC, de
schémas d’ordres élevés et de conditions aux limites d’impédance temporelles permettant
de reproduire l’effet du revêtement poreux [8] ; il a aussi été pourvu de fonctionnalités
d’optimisation par différenciation automatique [9]. En parallèle, des analyses de stabilité de
GEN-F160-10 (GEN-SCI-029)l’écoulement de couche limite ont été effectuées afin de comparer les modes propres de la
couche limite aux ondes captées dans la simulation. Cette étude a confirmé le pouvoir
fortement stabilisant du revêtement poreux sur le mode 2 de Mack, mais ont aussi mis en
lumière un effet significatif de la rupture d’impédance entre la paroi lisse et la paroi
poreuse, qui fait apparaître dans certaines circonstances un rayonnement acoustique à
l’extérieur de la couche limite.
c. Quels sont les objectifs généraux et les perspectives au-delà de la thèse proprement dite ?
Ces travaux s’inscrivent plus généralement dans l’objectif de modélisation de la transition
laminaire-turbulent, afin d’implanter dans les codes RANS des modèles simplifiés qui
permettent de prévoir les phénomènes de transition dans les simulations de design des
configurations industrielles. Les simulations numériques de la phase d’amplification des
instabilités de la couche limite laminaire permettent à la fois d’orienter la stratégie de
modélisation et de constituer une base de données à partir de laquelle on peut construire
les modèles simplifiés.
4. Programme de la thèse
a. Quelles sont les questions scientifiques traitées ?
La thèse va étudier spécifiquement les phénomènes de croissance des instabilités de la
couche limite laminaire en régime (haut) hypersonique, et la capacité d’un revêtement
poreux en paroi de les contrôler. Ces phénomènes vont être étudiés à la fois à l’aide de
simulations numériques directes (même si la paroi poreuse est, elle, modélisée par une
condition d’impédance) et d’analyse de stabilité de l’écoulement.
b. Quelles sont les approches scientifiques proposées : point de départ des travaux,
démarches envisagées, moyens mis en œuvre ou expérimentations prévues ?
Comme expliqué précédemment, ces travaux s’appuieront sur ce qui a été initié dans le
post-doc RTRA de Romain Fiévet, qui s’est terminé en mai 2020. Ils bénéficieront du
savoir-faire acquis au cours du même projet RTRA dans le post-doc de José Cardesa, sur
les questions d’optimisation des paramètres de la condition d’impédance, à l’aide de
techniques de différenciation automatique. Les simulations numériques directes seront
réalisées avec le code JAGUAR, qui est un solveur ordre élevé des équations de Navier-
Stokes multi-espèces réactives. Comme dans les travaux de R. Fiévet, on utilisera le
solveur CEDRE/CHARME pour réaliser des simulations précurseurs, en mode « RANS
laminaire », pour capter l’écoulement globalement, et en particulier les phénomènes de
choc. On utilise ensuite JAGUAR sur une zone géométrique restreinte, en zoomant à
proximité de la paroi. Les mêmes modèles thermodynamiques (issus de la Thermolib de
CEDRE) sont utilisés dans les deux codes pour reproduire les phénomènes de gaz réel, ce
qui va permettre d’étudier finement l’impact de cette modélisation sur les instabilités de la
couche limite. Les analyses de stabilité seront faites, elles, à l’aide des outils développés
au DMPE (MAMOUT, PASTEQ), qui disposent eux aussi des capacités gaz réel.
c. Programme prévu
Dans un premier temps, le doctorant reproduira le calcul mené dans le post-doctorat de R.
Fiévet, et complètera les analyses qui y avaient été effectuées. A partir de cette base, on
changera les paramètres de calcul pour se rapprocher au maximum de la configuration qui
avait été testée expérimentalement au DLR. On étudiera ensuite les effets de déséquilibre
chimique et de changement de la température de paroi sur les phénomènes observés,
toujours avec la stratégie en deux temps de calcul précurseur avec CEDRE, suivi par
l’étude fine de la couche limite laminaire avec JAGUAR. En parallèle, le doctorant
travaillera sur la stratégie d’optimisation de la géométrie du liner (typiquement les
paramètres de porosité, épaisseur, tortuosité du revêtement), et donc de la TDIBC qui en
découle, en utilisant tout d’abord uniquement les calculs de stabilité linéaire locale
(modification de la loi d’impédance dans MAMOUT, reliée aux paramètres géométriques du
revêtement en faisant le lien avec les paramètres associés de la TDIBC). Dans un
deuxième temps, on mènera les simulations numériques JAGUAR avec en paroi la TDIBC
représentant le revêtement optimisé, pour étudier la robustesse de ce résultat au regard
des effets de ruptures d’impédance et d’interactions entre les modes. Selon les résultats de
GEN-F160-10 (GEN-SCI-029)cette étude, et les capacités du doctorat, on pourra affiner l’optimisation en travaillant dans
une dernière phase directement avec les simulations JAGUAR comme base de la boucle
d’optimisation, en mettant en place une version du code différenciée automatiquement par
l’outil Tapenade, comme déjà réalisé sur un cas 1D dans le post-doc de J. Cardesa.
d. Résultats attendus
Publications dans des revues internationales (Journal of Computational Physics, AIAA
Journal, Journal of Spacecraft and Rockets)
5. Références
[1] A. Fedorov, "Transition and Stability of High-Speed Boundary Layers," Annual Review of Fluid
Mechanics, vol. 43, pp. 79-95, 2011.
[2] A Fedorov, V Kozlov, A Shiplyuk, A Maslov, and N Malmuth, "Stability of hypersonic boundary
layer on porous wall with regular microstructure," AIAA Journal, vol. 44, no. 8, 2006.
[3] A Wagner, K Hanneman, and M Kuhn, "Ultrasonic absorption characteristics of porous carbon–
carbon ceramics with random microstructure for passive hypersonic boundary layer transition
control," Experiments in Fluids, vol. 55, 2014.
[4] G. Brès, M. Inkman, T. Colonius, and A. Fedorov, "Second-mode attenuation and cancellation
by porous coatings in a high-speed boundary layer," Journal of Fluid Mechanics, vol. 726, pp.
312-337, 2013.
[5] R. Zhao et al., "Spatial Direct Numerical Simulation of the Hypersonic Boundary-Layer
Stabilization Using Porous Coatings," AIAA Journal, vol. 57, no. 11, pp. 5061-5065, 2019.
[6] V.C.B Sousa et al., "Numerical Investigation of Second-Mode Attenuation over Carbon/Carbon
Porous Surfaces," Journal of Spacecraft and Rockets, vol. 56, no. 2, 2019.
[7] R Fievet, H Deniau, J-P Brazier and E Piot, "Numerical Study of Hypersonic Boundary-Layer
Transition Delay through Second-Mode Absorption," in AIAA Scitech Forum, 2020, pp. AIAA
Paper 2020-2061.
[8] R Fievet, Deniau H., and E. Piot, "Strong compact formalism for characteristic boundary
conditions with discontinuous spectral methods," Journal of Computational Physics, vol. 408, p.
109276, 2020.
[9] J.I. Cardesa, L. Hascoet, and C. Airiau, "Adjoint computations by algorithmic differentiation of a
parallel solver for time-dependent PDEs," Journal of Computational Science, vol. 45, p. 101155,
2020.
6. Compléments
a. Personnes participant à l’encadrement en plus des (co)directeur(s) de thèse
Jose Cardesa, Jean-Philippe Brazier, Hugues Deniau
b. Liens avec des projets de recherche et/ou avec d'autres thèses menées à l'ONERA
Suite des travaux de post-doc de Romain Fievet (projet 3C2T financé par la fondation
Staé/RTRA).
Groupe OTAN AVT-346 sur la transition en hypersonique.
Liens avec les projets de recherche en cours sur la transition en hypersonique (Hypertrans,
Mophyp)
c. Verrous scientifiques ou techniques, risques potentiels
Les travaux du post-doc de R. Fievet ont permis de dé-risquer grandement le programme
de travail, il n’y a pas de risques sévères identifiés.
d. Objectif de valorisation des travaux
Publications dans des revues internationales (Journal of Computational Physics, AIAA
Journal, Journal of Spacecraft and Rockets)
GEN-F160-10 (GEN-SCI-029)Extension des bases de données numériques à partir desquelles l’ONERA/DMPE
développe les critères de transition adaptés aux codes RANS
7. Financement envisagé
Cocher dans la colonne de droite
Type de bourse
ONERA
DGA
CNES
Région
CIFRE (préciser ci-dessous le financeur
et éventuellement le candidat envisagé)
Contrat doctoral (préciser ci-dessous le %
de financement extérieur attendu)
Autre (préciser ci-dessous le financeur et
le % de financement extérieur attendu)
Précisions sur le financement :
Candidat éventuel :
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