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Écoulements dans les tuyères de lanceurs spatiaux

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Résultat de calcul Navier-Stokes instationnaire dans une tuyère,
illustrant le caractère tridimensionnel de l'écoulement turbulent en régime de décollement
(DAAP - Sébastien Deck)

Lignes de frottement

Mach dans un plan longitudinal

Zoom au niveau de la zone de décollement

Les activités de recherche sur les tuyères propulsives sont actuellement une des préoccupations majeures des industriels et des chercheurs pour contribuer à améliorer les performances du lanceur européen Ariane 5 et réduire les coûts d'accès à l'espace des satellites.

Dans le but d'augmenter la poussée du moteur Vulcain du premier étage (voir partie entourée sur la figure), les efforts de recherche actuels sont orientés vers le choix de tuyères à rapport de section S_sortie/S_col.de plus en plus grand (de 45 pour Vulcain à 60 pour Vulcain2).

Moteur Vulcain

Ce type de tuyère est adapté à haute altitude où la pression externe est très faible (partie basse de la figure). La pression dans le jet propulsif est supérieure à la pression ambiante et la tuyère est complètement amorcée. A l'opposé, lors de la phase de décollage et de la première partie du vol, la pression dans la chambre de combustion n'est pas suffisante pour permettre un écoulement supersonique dans toute la tuyère; l'écoulement est alors dit "sur-détendu". Il s'ensuit l'apparition d'une onde de choc dans le divergent qui modifie drastiquement la nature de l'écoulement dans la tuyère (partie haute de la figure) puisque l'air extérieur est aspiré dans le divergent.

Tuyère en écoulement supersonique sur-détendu (en haut)
et sous-détendu (en bas)

Comme dans tout décollement, l'écoulement est fortement perturbé et le divergent est alors soumis à des efforts parasites appelés "charges latérales", qui peuvent conduire à des sollicitations inacceptables du système propulsif : risques de perte de stabilité pour le lanceur ou même rupture de la tuyère.

C'est pourquoi il importe de pouvoir modéliser ces phénomènes afin de disposer d'un outil de prévision lors des développements futurs des tuyères de lanceur. Toutefois, une simulation numérique des phénomènes physiques rencontrés nécessite une modélisation évoluée de l'écoulement. La figure ci-dessus est issue d'un résultat de calcul Navier-Stokes instationnaire de type DES (Detached Eddy Simulation) et illustre le caractère tridimensionnel de l'écoulement turbulent dans une tuyère en régime de décollement. Le lecteur est invité à apprécier la complexité de cet écoulement malgré la simplicité géométrique d'une tuyère coquetier (géométrie de révolution). La surface bleue correspond à la surface où la vitesse de l'écoulement est égale à la vitesse locale du son et montre la forme de l'onde de choc dans le divergent de la tuyère. Les surfaces rouges montrent l'existence de tourbillons qui interagissent de façon très complexe avec l'écoulement issu de la chambre de combustion illustré par les lignes de courant.

Par Sébastien Deck (DAAP/MHL)

Mis à jour le 13 janvier 2004 - © ONERA 2009 - Crédits et conditions d'utilisation