Aérodynamique fondamentale et expérimentale

Modélisation des écoulements de culot et d'arrière-corps

Calcul par résolution des équations de Navier-Stockes
de l'écoulement à l'aval d'un arrière-corps avec effet thermiques.
Contours isothermes.

Les écoulements de culot font toujours l'objet de recherches actives en raison de leur importance pratique pour les avions, les missiles, les lanceurs et les projectiles. La prévision d'une part de la traînée due à la dépression s'établissant au culot, d'autre part des charges thermiques sur la partie arrière d'un missile propulsé demeure un problème mal résolu en raison de la complexité des écoulements dans cette région.

Dans ce domaine, on poursuit l'effort de modélisation afin de mieux représenter la turbulence dans les zones de culot et d'améliorer la prise en compte des facteurs aérothermochimiques résultant de l'existence d'un jet propulsif à haute température composé d'espèces encore réactives. Un des objectifs est également de mieux prédire le jet dans la région proche de l'arrière-corps en vue de contribuer à une caractérisation plus fine des signatures infrarouges.

L'étude des écoulements au culot de projectiles connaît actuellement un regain d'intérêt en liaison avec les recherches sur les dispositifs de réduction de traînée. L'analyse théorique et la simulation de ces écoulements, initiées dans les années 1950 sur la base d'approches du type multi-composant, a donné naissance à des méthodes pratiques de prévision encore largement utilisées en raison de leur faible coût, par exemple pour le calcul des performances des tuyères propulsives à corps central tronqué. Plus récemment, les études de modélisation sur les écoulements de culot se sont orientées vers une approche plus physique basée sur la résolution des équations de Navier-Stokes.

Lorsque l'écoulement supersonique uniforme externe décolle au niveau de l'arête du culot, il se détend et la couche limite du fuselage du projectile ou de l'engin devient une couche de mélange très turbulente qui est déviée vers l'axe de symétrie. Cette couche de mélange sépare le fluide externe, qui peut être considéré comme non visqueux, de la zone de recirculation touchant le culot dominée par des phénomènes visqueux. Le fluide externe recolle après le bulbe de courant recirculant pour être redressé dans la direction longitudinale à travers une recompression le ramenant à la pression de l'infini amont (voir figure ci-dessous). Ce type d'écoulement turbulent à gradients locaux très élevés présente un condensé des situations les plus difficiles à reproduire par le calcul, ce qui en fait un cas test toujours très important pour la validation des modèles de turbulence.

Organisation de l'écoulement (calcul Navier-Stokes)

L'exemple présenté ici est une validation de modèles de turbulence à deux équations de transport récents par comparaison avec des modèles bien connus et une banque de données expérimentales souvent utilisée qui à été constituée à l'université de l'Illinois. La configuration est un culot franc de révolution dans un écoulement externe à un nombre de Mach proche de 2.5. On peut constater sur la figure ci-après les progrès faits en matière de prédiction de la pression de culot (qui détermine la traînée), par rapport aux modèles les plus anciens. La dernière figure llustre enfin la reproduction des profils de vitesse longitudinale et de tension de cisaillement au niveau du point de recollement

Répartition de pression pariétale sur le culot.

Profils de vitesse et de tension de cisaillement au point d'arrêt.

Mis à jour le 14 juin 2004 - © ONERA 2009 - Crédits et conditions d'utilisation