Thèse Développement d'Une Plateforme Expérimentale pour l'Étude des Écoulements à Haute Température H/F

Doctorat_Gouv

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
École doctorale : Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
Laboratoire de recherche : EM2C - Energétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion
Direction de la thèse : Sean MCGUIRE ORCID 0000000256630357
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-21T23:59:59

La phase de rentrée atmosphérique est l'un des plus grands défis d'une mission spatiale. Les capsules spatiales arrivent dans l'atmosphère à des vitesses hypersoniques, ce qui comprime le gaz à l'avant de la capsule et entraîne une augmentation de la température jusqu'à la dissociation et l'ionisation du gaz. Afin d'estimer le flux thermique qui arrive à la surface de la capsule spatiale, des codes numériques de CFD (« computational fluid dynamics ») sont utilisés. Ces codes ont pour but de modéliser l'évolution de l'écoulement autour du véhicule spatial pendant sa phase de rentrée. L'objectif de cette thèse est d'étudier un cas test pour lequel les codes CFD et les mesures sont actuellement en désaccord, et d'identifier les raisons de ce désaccord.

La phase d'entrée atmosphérique est l'un des plus grands défis d'une mission spatiale. Les capsules spatiales arrivent dans l'atmosphère à des vitesses hypersoniques, ce qui comprime le gaz à l'avant de l'appareil et entraîne une augmentation de la température jusqu'à la dissociation et l'ionisation du gaz. Afin d'estimer le flux thermique qui arrive à la surface de la capsule spatiale, des codes numériques de CFD (« computational fluid dynamics ») sont utilisés. Ces codes ont pour but de modéliser l'évolution de l'écoulement autour du véhicule spatial pendant sa phase de rentrée. En 1998, Nagulapally et al [1] ont publié une comparaison entre des mesures expérimentales et des simulations numériques CFD de l'évolution de la température d'un écoulement d'air à haute température dans un tube de diamètre constant. Cette comparaison avait pour but de valider leurs calculs CFD. L'air entrait dans le tube à une haute température (7 200 K) obtenue en chauffant l'air à l'aide d'une torche à plasma. Le tube, d'un diamètre de 1 cm, avait des parois maintenues à 20°C grâce à un circuit de refroidissement à eau. Le fort gradient thermique entre le centre de l'écoulement d'air et les parois induisait une chute de la température de l'air lors de sa traversée du tube. La température mesurée sur l'axe central chutait de 7 200 K à 6 200 K, ce qui représente une baisse de 1 000 K. Cependant, les simulations CFD prédisaient une chute de seulement 200 K, soit cinq fois moins que mesuré. Les mesures de température ont été reproduites à l'aide de techniques alternatives dans une thèse récente de 2019 [2]. De nouvelles simulations CFD ont également été réalisées dans cette thèse à l'aide du code CFD Eilmer [3]. La forte divergence entre les mesures et la théorie a persisté, avec une amplitude similaire à celle observée par Nagulapally et al ; son origine demeure inconnue à ce jour.

- Mesure de la température au sein d'un écoulement d'air en recombinaison, et comparaison de ces mesures avec des simulations CFD.
- Identification d'un cas de test pour lequel l'expérience et la simulation sont en accord.
- Étude des sources potentielles d'écart dans les cas de test pour lesquels l'expérience et la simulation ne sont pas en accord.
- Publication des résultats obtenus dans des revues scientifiques de référence.

Cette thèse vise à mettre en oeuvre de nouvelles expériences afin de résoudre cette divergence. L'idée de base est de prémélanger l'air chaud avec de l'air froid avant de l'injecter dans le tube. Cette étape de prémélange permet de réduire la température de l'air avant son injection dans le tube, et nécessite l'installation d'un injecteur entre la sortie de la torche et le tube refroidi. La température du mélange sera déterminée par les débits massiques relatifs des flux d'air chaud et d'air froid, et pourra être ajustée en continu en faisant varier ces débits relatifs. L'objectif final est d'abaisser la température d'entrée jusqu'à obtenir un bon accord entre les mesures et les simulations à la sortie. Une fois ce point de fonctionnement trouvé, la température pourra être progressivement augmentée afin d'étudier à partir de quel moment les profils de température simulés commencent à diverger des profils mesurés. Celle étude permettra de comprendre l'origine de la divergence observée par Nagulapally et al [1] et Tibère-Inglesse [2].