Development of numerical methods and study of coupled flow, radiation, and ablation phenomena for atmospheric entry

Cette thèse est centrée sur le couplage entre les phénomènes d’écoulement, d’ablation et de rayonnement au voisinage du point d’arrêt de véhicules d’entrée atmosphérique pourvus d’un système de protection thermique de type carbonephénolique. La recherche est divisée en trois parties : 1) le développement de méthodes numériques et d’outils pour la simulation d’écoulements hypersoniques hors équilibre autour de corps émoussés, 2) la mise en oeuvre d’un nouveau modèle de transport du rayonnement hors équilibre dans ces écoulements, y compris dans les couches limites contaminées par les produits d’ablation, et 3) l’application de ces outils à des conditions réelles de vol.Les effets du couplage entre l’ablation et le rayonnement sont étudiés pour les rentrées terrestres. Il est démontré que les produits d’ablation dans la couche limite peuvent augmenter le blocage radiatif à la surface du véhicule. Pour les conditions de flux maximum d’Apollo 4, les effets de couplage entre le rayonnement et l’ablation réduisent le flux conductif de 35%. L’accord avec les données radiométriques est excellent, ce qui valide partiellement la méthode de couplage et la base de données radiatives. L’importance d’une modélisation précise du soufflage du carbone dans la couche limite est également établie.This thesis focuses on the coupling between flow, ablation, and radiation phenomena encountered in the stagnation region of atmospheric entry vehicles with carbon-phenolic thermal protection systems. The research is divided into three parts : 1) development of numerical methods and tools for the simulation of hypersonic, non equilibrium flows over blunt bodies, 2) implementation of a new radiation transport model for calculating nonequilibrium radiative heat transfer in atmospheric entry flows, including ablation contominated boundary layers, and 3) application of these tools to study real flight conditions.The effects of coupled ablation and radiation are studied for Earth entries. It’s shown that ablation products in the boundary layer can increase the radiation blockage to the surface of the vehicle. An analysis of the Apollo 4 peak heating condition shows coupled radiation and ablation effects reduce the conducted heat flux by as much as 35% for a fixed wall temperature of 2500 K. Comparison with the radiometer data shows excellent agreement, partially validating the coupling methodology and radiation database. The importance of accurately modeling the amount of carbon blown into the boundary layer is demonstrated by contrasting the results of other researchers