Development of physical and numerical models for large eddy simulation of supersonic nozzles

Ces travaux, initiés par le CNES (Centre National d’Etudes Spatiales) dans le cadre du programme de recherche ATAC (Aérodynamique Tuyères et Arrières-Corps), sont principalement consacrés au développement et à la validation de modèles numériques et physiques, pour la prédiction des charges latérales dans les moteurs-fusées. En effet, les systèmes propulsifs mettent en jeu des phénomènes physiques très complexes : mélange turbulent, compressibilité forte (interaction choc/turbulence, couplage de modes vorticité/entropie/acoustique), structures cohérentes et organisations tourbillonnaires dans le cas tridimensionnel, décollements massifs et instabilités à grande échelle. L’analyse de ces phénomènes nécessite le recourt à des modélisations de plus en plus fines basées sur des simulations numériques avancées. Pour faire face au coût prohibitif des simulations directes (ou simulations LES résolues) des couches limites, un nouveau modèle de paroi a été développé, en se basant sur les propriétés d’auto similarité des couches limites compressibles en tuyères supersoniques, et en utilisant des lois de renormalisation dérivées à partir d’une base de données tabulée. Ce modèle permet de prendre en compte la dynamique de l’écoulement tout en réduisant considérablement le nombre de points de calcul et le pas de temps requis pour les simulations LES. Les résultats de calcul mettent en évidence de nombreuses interactions complexes au sein de l’écoulement. En particulier, les interactions amont/aval (supersonique/subsonique),influençant fortement le décollement et la structure de chocs, à l’origine de l’apparition de pics énergétiques associés à des perturbations acoustiques conduisent à l’apparition,par rétroaction, de phénomènes d’instabilités convectives, couplées à des modes globaux dissymétriques en dynamique absolue. Ces phénomènes auto-entretenus sont synonymes d’efforts latéraux et sont représentatifs des expériences menées en laboratoire et sur bancs d’essai moteurs-fusées. En terme d’optimisation des calculs massivement parallèles, une méthode originale, appelée « Drop-Procs », a été développée dans le cadre des frontières immergées. Cette méthode, adaptée aux architectures de calculs intensifs Tier-0, permet une réduction notable du temps CPU (Central Processing Unit), allant jusqu’à 50%, et rendant ainsi ce type de simulations plus accessible à l’échelle industrielle.This work, initiated by the CNES (Centre National d’Etudes Spatiales) in the ATAC research program (Aérodynamique Tuyères et Arrières-Corps), is devoted to the development and the validation of numerical and physical models for the prediction of side-loads in rocket engines. Indeed, propulsion systems involve complex physical phenomena : turbulent mixing, high compressibility (interaction shock / turbulence, coupling modes vorticity / entropy / acoustic), coherent structure, three-dimensional vortex organizations, massive detachment and large scale instabilities. The analysis of these phenomena requires the uses of advanced numerical simulations. To deal with the high cost of large-eddy simulations boundary layers, a new wall model, based on renormalization laws and a database, was developed. This model allows to take into account the dynamics of the flow while significantly reducing the number of calculation points and the time step required for LES simulations. Results show many complex interactions with in the flow. In particular, the upstream / downstream interactions (supersonic / subsonic), strongly influence the separation and the shock structure, causing the occurrence of energy peaks associated with acoustic disturbances and leading to the appearance of convective instability, coupled with global asymmetric modes. These self-sustained phenomena are synonymous of side-loads and are representative of laboratory experiments and rocket engine test benches. In terms of optimization of massively parallel computing, a new method, called "Drop-Procs", was developed as part of the immersed boundaries. This method is suitable for compute-intensive architectures Tier-0 and allows a significant reduction in CPU time (Central Processing Unit) consumption, up to 50%, making this type of simulation accessible for industrials