Hypersonic Near-Wall Thermal Turbulence Modelling
Modélisation thermique de la turbulence de proche paroi en régime hypersonique
Résumé
We are interested in the modeling of heat transfer in the turbulent boundary layer and at the wall : heat flux is a dimensioning parameter of the atmospheric re-entry vehicle at hypersonic regime. Up to now, the phenomena of transport of heat by turbulence were supposed to be governed by the same mechanisms as those for the momentum : it is the well-known Reynolds analogy. Thus, the models of turbulence generally take into account only the dynamic turbulent scales. The assumptions adopted in this case are restrictive (incompressible flow, flat plate...). In this thesis, we implement a thermal modeling of turbulence. The coupling between the averaged fields and the turbulent scales is done by the calculation of mu_t and lambda_t, these 2 quantities being evaluated using a k − epsilon / k_h − epsilon_h 4-equation model. A theoretical and practical study, based on an asymptotic analysis of the existing 4 equations low-Reynolds models in the literature, enabled us to develop new thermal models based on two-layer technique and wall functions. These models are built with new thermal turbulent scales. Thus, each phenomenon of transport has its own characteristic scales. Moreover, one systematic use for super- and hypersopnic flows around complex objects can be considered. These models were tested with a modified version of the computational fluid dynamic software NSC2KE and were confronted with experiments. They showed an improvement of the prediction of the heat transfer at the wall.
Nous sommes intéressés par une modélisation fine des échanges thermiques dans la couche limite turbulente et à la paroi car le flux thermique est un paramètre dimension- nant des corps de rentrée atmosphérique en régime hypersonique. Jusqu'à présent, les phénomènes de transport de la chaleur par la turbulence étaient supposés régis par les mêmes mécanismes que ceux pour la quantité de mouvement : c'est l'analogie bien connue de Reynolds. Ainsi, les modèles de turbulence ne prennent généralement en compte que les échelles de turbulence dynamique. Les hypothèses adoptées dans ce cas sont restrictives (écoulement incompressible, plaque plane, . . . ). Dans cette thèse, nous mettons en oeuvre une modélisation propre pour les phénomènes de turbulence thermique, indépendante de celle pour les phénomènes dynamiques. Le couplage entre les champs moyens et les échelles de turbulence passe ainsi par le calcul de mu_t et de lambda_t, ces 2 quantités étant elles-même évaluées à l'aide de modèles à 4 équations de type k −epsilon/k_h −epsilon_h. Une étude théorique et pratique, basée sur une analyse asymptotique des modèles "bas-Reynolds" à 4 équations existants dans la littérature, nous a permis de développer de nouveaux modèles "thermiques" de type bi-couche et lois de paroi. Ces modèles sont construits à partir de nouvelles échelles de longueurs caractéristiques de la turbulence thermique. Ainsi, chaque phénomène de transport a ses propres échelles caractéristiques. De plus, une utilisation systématique pour des écoulements super- et hypersoniques autour d'objets complexes peut être envisagée. Ces modèles ont été testés avec une version modifiée du code NSC2KE et confrontés à des expériences. Ils ont montré une amélioration de la prédiction du flux de chaleur à la paroi.