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Simulation haute fidélité du contrôle de la transition de la couche limite au moyen de métasurfaces acoustiques – [ED MEGEP]

L’écoulement de la couche limite visqueuse proche d’une paroi peut évoluer d’un régime laminaire à turbulent, ce qui entraîne une augmentation significative du frottement et des échanges de chaleur à la surface. En conséquence, les véhicules à haute vitesse peuvent subir une traînée accrue et un échauffement pariétal excessif. Ce phénomène de transition, d’un écoulement ordonné à chaotique, débute lorsque de faibles perturbations atmosphériques pénètrent l’écoulement de la couche limite près de la paroi, excitant ses instabilités naturelles. Ces instabilités se développent ensuite par amplification linéaire jusqu’à atteindre des amplitudes critiques. Au-delà de ces amplitudes, des interactions non-linéaires et des phénomènes tridimensionnels émergent, entraînant la formation de régions turbulentes. Cette thèse se concentre sur la croissance linéaire des instabilités au sein des couches limites bidimensionnelles subsoniques et hypersoniques, et explore l’utilisation de dispositifs de contrôle passifs, tels que les métasurfaces acoustiques, pour retarder ou prévenir le déclenchement de la turbulence. La première année a été consacrée à l’adaptation et à l’implémentation de conditions aux limites dans un code de simulation haute fidélité, afin d’étendre ses capacités pour intégrer les effets de réponse acoustique de métasurfaces complexes et simuler de manière précise les interactions entre les instabilités et les dispositifs de contrôle. En utilisant ces outils, des simulations numériques directes (DNS) de configurations canoniques ont ensuite été effectuées, où la réponse acoustique des surfaces acoustiquement réactives a été modélisée par le biais d’une condition aux limites d’impédance temporelle (TDIBC). Ces simulations instationnaires, couvrant une large gamme d'échelles spatio-temporelles, visaient à fournir une description fine de la dynamique du développement des ondes de Tollmien-Schlichting en régime subsonique et du second mode de Mack en régime hypersonique, ainsi que de leur interaction avec une surface acoustiquement réactive. Ces investigations numériques ont été complétées par des analyses de stabilité linéaire. Un premier cas de couche limite sur une plaque plane à Mach 0,12 a été simulé en utilisant une impédance acoustique mesurée expérimentalement comme condition aux limites, afin de reproduire l’effet passif de la réponse acoustique d’un système de contrôle de la laminarité de l’écoulement (LFC). De façon analogue, l’écoulement autour d’un cône émoussé à Mach 7,4 a été simulé numériquement en tenant compte de la réponse acoustique d’un matériau composite à matrice céramique (CMC) utilisé dans les systèmes de protection thermique (TPS) des véhicules hypersoniques. Un processus d’optimisation des paramètres géométriques d’échelle macroscopique d’un matériau CMC a également été mis en œuvre pour améliorer ses performances en absorption acoustique. Un dernier volet de la thèse a porté sur l’étude de la dynamique du second mode de Mack, sur paroi froide et sur paroi adiabatique, sur un cas académique de plaque plane à Mach 6. Cette dynamique est décrite via une approche originale en termes d’interaction des structures cohérentes associées aux composantes thermodynamiques, vorticales, acoustiques et thermiques du champ de perturbation. 

Jury

Mme Estelle PIOT	ONERA	Directrice de thèse
M. Guillaume DAVILLER	CERFACS	Co-directeur de thèse
M. Guillaume LEHNASCH	ISAE ENSMA	Rapporteur
Mme Taraneh SAYADI	CNAM	Rapporteure
M. Christophe AIRIAU	Université Toulouse III – Paul Sabatier	Examinateur
M. José CARDESA	ONERA	Examinateur
M. Xavier GLOERFELT	ENSAM Paris	Examinateur
M. Alexander WAGNER	Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt (DLR)	Examinateur