Les ondes de choc sont au cœur de plusieurs applications technologiques et scientifiques, comme par exemple l’injection de gasoil à haute pression dans une chambre de combustion, l’allumage d’un moteur-fusée cryogénique ou l’échappement de gaz à travers une tuyère propulsive. Ces systèmes industriels mettent en jeu des phénomènes qui sont sans doute parmi les plus complexes et les plus spectaculaires de la mécanique des fluides : jets supersoniques, interférences de chocs, instabilités à grande échelle. D’autres enjeux sociétaux concernent les risques industriels liés aux accidents et à la sécurité civile. Comprendre l’influence des différentes échelles de la turbulence, de la présence d’entités liquides ou d’obstacles solides sur la topologie du front de choc et de l’écoulement supersonique associé constitue la principale difficulté scientifique de ce domaine.

Le Challenge

Le projet repose sur l’utilisation intensive et massivement parallèle du code de calcul CHOC-WAVES (Compressible High-Order Code based on Weno AdaptiVE Stencils) développé au CORIA pour résoudre deux problèmes physiques. Le premier concerne la propagation d’ondes de choc dans une tuyère supersonique, de forme analogue à celle équipant le moteur Vulcain II du lanceur Ariane 5. Les résultats obtenus ont permis de décrire finement les phases de démarrage d’un moteur-fusée (Fig. 1) avec une amélioration sensible des critères de décollement et l’estimation des charges latérales. Ces résultats sont actuellement exploités dans le cadre du programme de recherche ATAC (Aérodynamique des Tuyères et Arrière-Corps).

Fig. 1 – Structures tridimensionnelles se développant dans une tuyère en phase d’allumage.

Le deuxième exemple est relatif à la formation d’un mélange réactif induit par un phénomène de Shock-focusing en aval d’une cavité cylindrique. Il s’agit d’une nouvelle technique permettant l’allumage rapide de mélanges d’ergols pour les propulseurs aéronautiques du futur. Sur la figure 2, illustrant le champ de température instantanée, l’onde de choc est immédiatement suivie d’une détente où la libération d’énergie s’accompagne d’une accélération de l’écoulement. Des instabilités à grande échelle se forment à partir de la paroi et sont convectées en aval, ce qui renforce l’intensité de la zone de mélange.

Fig. 2 – Mélange turbulent induit par le phénomène de “Shock-focusing” en aval d’une cavité cylindrique.

Les résultats

Ces deux simulations ont été réalisées grâce à un solveur compressible d’ordre élevé et une méthode de frontières immergées. Une nouvelle technique dite de “drop-proc” a été développée pour optimiser le nombre de points de maillage dans le solide. Ce travail a permis un gain significatif en temps de calcul. Les simulations réalisées sont 3D et instationnaires avec des maillages pouvant atteindre 400 millions de points. Ces calculs ont nécessité 1 million d’heures CPU sur 3 000 cœurs (soit la quasi-totalité) du calculateur ANTARES du CRIHAN.

Les perspectives

Les problèmes étudiés dans le cadre de ce projet permettent de faire avancer notre compréhension de la physique des ondes de choc en milieux complexes et promeuvent l’émergence de nouveaux axes de recherche, comme par exemple la miniaturisation des systèmes par ondes de choc (MEMS – Micro-Electro-Mechanical Systems), en vue d’applications aérospatiale (micro-propulsion), militaire (actionneur miniaturisé à haute puissance) ou biomédicale (seringue sans aiguille permettant d’injecter sans douleur des médicaments dans l’épiderme à travers une micro-tuyère supersonique).

A. Hadjadj (1), A. Georges-Picot (1), G. Moebs (2), A.-S. Mouronval (3)
(1) Laboratoire CORIA – UMR 6614 CNRS, INSA de Rouen ;
(2) Laboratoire de Mathématiques Jean Leray, UMR CNRS 6629, Université de Nantes ;
(3) Laboratoire MSSMat – UMR CNRS 8579, Ecole Centrale Paris.

[Cet article fait partie du dossier Journée Meso-Challenges 2013 : le compte-rendu !]