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DAAP - Aérodynamique appliquée

Aérodynamique des lanceurs

Pression RMS autour de la tuyère d'Ariane 5Depuis une quinzaine d’années, le travail de l’unité MHL dans le domaine des lanceurs concerne principalement Ariane 5. Il est effectué au titre d’expertises ou dans le cadre d’un programme de recherche concerté conduit en partenariat avec le CNES et porte sur l’étude des charges latérales au décollage (tuyère du moteur Vulcain) et sur la prévision du phénomène de buffeting transsonique au culot du lanceur. La compréhension de ces deux points est en effet essentielle en vue de l’amélioration des performances du lanceur (confort de la charge utile).

Tuyères

Au décollage et durant la phase initiale du vol, la tuyère du moteur Vulcain est fortement sur-détendue. Elle est de ce fait le siège d’un décollement instationnaire et dissymétrique à l’origine des charges latérales. Des simulations ZDES permettent de simuler ces instationnarités .

Dans le divergent de la tuyère du moteur Vulcain, équipé d’un film de refroidissement (TEG), des efforts latéraux importants sont observés lors des transitoires d’amorçage. Des calculs URANS en gaz froid prenant en compte des conditions d’alimentation réalistes du film d’injection TEG permettent de retrouver la forme et l’intensité du pic de charges latérales observé au banc d’essais et d’expliquer son origine.
 

Simulation ZDES du jet d’une tuyère de type Vulcain  (Champ moyen à gauche et visualisation des structures turbulentes à droite)
Simulation ZDES du jet d’une tuyère de type Vulcain
(Champ moyen à gauche et visualisation des structures turbulentes à droite)



Arrière-corps

L’étude du phénomène de buffeting transsonique au culot des lanceurs de la classe Ariane 5 est réalisée dans le cadre du programme R&D CNES ainsi que dans des projets européens (ESA). En particulier, un effet significatif des attaches dissymétriques qui relient le corps central d’Ariane 5 à ses boosters a été mis en évidence sur l’organisation spatiale du champ de pression fluctuant, ceci à l’aide de simulations ZDES. Ces calculs instationnaires permettent de restituer avec une remarquable précision les niveaux de pression RMS mesurés lors d’essais au NLR.

En parallèle, des travaux de thèses permettent d’approfondir l’analyse de l’organisation spatiale de ces écoulements à partir de post-traitements instationnaires avancés (analyse spectrale, décomposition en modes dynamiques, etc.) et d’évaluer l’influence de techniques de conditions limites aux frontières immergées (IBC) sur la qualité de la solution dans des cas de géométries complexes.
 

Structures turbulentes calculées au niveau de l’arrière-corps de la maquette du lanceur Ariane5 testée au NLR en 2010 et comparaison avec les pressions RMS mesurées sur la tuyère

Structures turbulentes calculées au niveau de l’arrière-corps de la maquette du lanceur Ariane5 testée au NLR en 2010 et comparaison avec les pressions RMS mesurées sur la tuyère

 

Nouveaux concepts de lancement

Récemment l’unité a contribué à l’étude de la phase de largage aéroportée de lanceurs à faible charge utile, en partenariat avec le CNES, ou de véhicules de tourisme spatiaux (projet européen FAST 20XX).

Les travaux numériques réalisés au cours du projet européen FAST 20XX ont contribué à crédibiliser le scénario de largage du véhicule spatial ALPHA à partir de la voilure d’un avion porteur de type A330. En complément, la faisabilité du largage du véhicule à partir d’une position d’emport extrados a été évaluée (scénario dit « Piggy-Back).

séparation d’un véhicule de tourisme spatial de son porteur A330
Calcul de la trajectoire de séparation d’un véhicule de tourisme spatial de son porteur A330 (Mach 0,8, altitude 8000 m - Couplage elsA / mécanique du vol)
 

Principales publications dans des revues à comité de lecture

  1. P.E. Weiss, S. Deck (2013), Numerical investigation of the robustness of an axisymmetric separating/reattaching flow to an external perturbation using ZDES, Flow Turbulence & Combustion, in press.

  2. B. Sainte-Rose, N. Bertier, S. Deck, F. Dupoirieux (2012), Numerical simulations and physical analysis of an overexpanded reactive gas flow in a planar nozzle, Combustion & Flames, Vol. 159, No. 9, pp 2856-2871.

  3. P.E. Weiss, S. Deck, (2011), Control of the antisymmetric mode (m=1) for high Reynolds axisymmetric separating/reattaching flows. Physics of Fluids, 23, 095102.

  4. S. Marié, S. Deck, P.E. Weiss, (2010), From pressure fluctuations to dynamic loads on axisymmetric step flows with minimal number of kulites. Computers and Fluids, 39, pp. 747-755.

  5. P.E. Weiss, S. Deck, J.C. Robinet, P. Sagaut (2009), On the Dynamics of an Axisymmetric Turbulent Separating/Reattaching Flows. Physics of Fluids, 21, 075103.

  6. B. Sainte-Rose, N. Bertier, S. Deck, F. Dupoirieux (2009), A DES method applied to a Backward Facing Step reactive flow. C.R. de Mécanique, 337, pp 340-351.

  7. S.Deck (2009), Delayed Detached Eddy Simulation of Self-Sustained Unsteadiness and Side-Loads in an overexpanded nozzle flow. Shock Waves, Vol. 19, No. 3, 239.

  8. S.Deck, P.Thorigny (2007), Unsteadiness of an axisymmetric separating/reattaching flow, Physics of Fluids, Vol 19, No. 6

  9. M. Ueno, Y. Yamamoto, M. Yanagihara, M. Leplat, J. Oswald (2007), Assessment of Wind Tunnel and CFD Transonic Base Pressure Using Flight Data. AIAA Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 44, No. 6, pp. 1241-1249

  10.  S. Deck, A.T. Nguyen (2004), Unsteady Side-Loads in a Thrust-Optimized Contour Nozzle at Hysteresis Regime. AIAA Journal, Vol. 42, No.9, pp 1878-1888.

  11. S. Deck, E. Garnier, P. Guillen (2002), Turbulence Modeling applied to Space Launcher Configurations, Journal of Turbulence, Vol.3, (57), pp. 1-21.

  12. S. Deck, P. Guillen (2002), Numerical Simulation of Side Loads in an Ideal Truncated Nozzle. AIAA Journal of Propulsion and Power, Vol.18, No.2, pp. 261-269.




 

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