Apparition de rugosités de surface lors de l'ablation d'un matériau composite en régime de transition entre laminaire et turbulent

Abstract

Durant la phase de descente d'un véhicule de rentrée atmosphérique, des pressions et flux de chaleur très élevées (> 2000 K) sont atteints à la surface du corps de rentrée. Pour soutenir ces conditions extrêmes, des protections thermiques en matériaux composites carbone-carbone sont utilisés. De nombreux phénomènes vont avoir lieu à la surface du matériau en particulier des réactions chimiques hétérogènes d'oxydation et de nitruration du carbone et, dans les cas les plus extrêmes, à la sublimation de celui-ci. Ces réactions vont conduire à l'ablation de la protection thermique.Lors des différents régimes d'écoulement du laminaire au turbulent, une rugosité multi-échelle va se développer sur le matériau. Le régime laminaire est associé à une rugosité microscopique, due à l'architecture du matériau composite. Cet état de surface va alors favoriser localement le déclenchement de la transition laminaire-turbulent, et donner naissance à des structures macroscopiques, de l'échelle du centimètre. Enfin lorsque la turbulence de l'écoulement est pleinement développée, des ondulations régulières se développent, non plus localisées mais généralisées à la surface complète. Ces structures sont connues sous le nom de "coups de gouge" et sont typiquement de l'ordre du millimètre. Ces structures augmentent le flux de chaleur et la vitesse de consommation du matériau ; la compréhension de leur formation est un enjeu majeur pour une conception plus efficace des protections thermiques.Une approche numérique a été employée pour déterminer la stabilité d'une perturbation de la surface du matériau en fonction du régime d'écoulement, de la micro-rugosité du matériau, et de la réactivité de celui-ci. Le code SURRF, basé sur le logiciel open-source OpenFOAM, a été développé dans cette optique. Grâce à l'emploi du modèle de turbulence gamma-Re_th qui permet la modélisation de la transition laminaire-turbulent, nous déterminons les paramètres qui permettent le développement et la croissance des coups de gouge à la paroi du matériau.