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Simulation du phénomène de relaxation dans un écoulement réactif pariétal derrière un choc fort

A. Boulahia 1, M. Belkhiri 1 and M. Afrid 2

1 Institut des Sciences Technologiques, Université Larbi Ben M’Hidi, Oum El Bouaghi, Algérie
2 Laboratoire de Physique Energétique, Université des Frères Mentouri, Constantine, Algérie

Abstract

Non equilibrium viscous shock layer flows produced around a blunt body constitute a standard problem in hypersonic flows theory. These flows are characterized by a very high level of energy .The high temperature can lead to an thermo chemical non equilibrium, which is accompanied by chemical reactions and vibrational relaxation. These effects are of paramount importance in evaluating the parietal overheating body and can affect all aspects of the flow. Therefore, it is interesting to develop a simulation of the entire shock layer on a two-dimensional plans or axisymmetric configuration ; in order to study the relaxation phenomenon, and chemical reactions in the shock layer as well as their influences on heat flux, pressure, constraints and concentrations of certain species, and in the other hand the sensitivity analysis of hypersonic boundary layer compared to the temperature of the wall, and various models representation of chemical reactions. . The Modelling adopted leads to the Navier-Stokes equations extended to a mixture of reactive gases and thin layer approximation is introduced. The results of the kinetic theory of gases were used simplified through some chemical models (Gardiner, NASA, and Park) and a polynomial model of the representation of the thermodynamic system was chosen taking into account all contributions (translation, rotation and vibration). As for the numerical solution it relied on implicit schemes class of TVD property (Harten-Yee and Yee-Roe-Davis) whose aim is shock waves capture without introducing parasitic oscillation while ensuring good accuracy of the solution.

Résumé

Les écoulements hors équilibres produits dans la couche de choc visqueux autour d’un corps émoussé constituent un problème classique dans la théorie des écoulements hypersoniques. Ils sont caractérisés par un niveau très élevé d’énergie. la température élevée peut conduire à un déséquilibre thermochimique, accompagne par des réactions chimiques et d’une relaxation vibrationnelle. Ces effets sont d’une importance primordiale dans l’évaluation de l’échauffement pariétal du corps et peuvent affecter l’ensemble des caractéristiques de l’écoulement. Par conséquent, il s’avère intéressant de développer une simulation de la couche de choc complète sur une géométrie bidimensionnelles plans ou axisymétriques ; afin d’étudier le phénomène de relaxation, et les réactions chimiques dans la couche de choc ; ainsi que leurs influences sur le flux de chaleur, la pression, les contraintes et les concentrations de certaines espèces, et d’autre part l’analyse de la sensibilité de la couche limite hypersonique par rapport à la température de la paroi, et aux différents modèles de représentation des réactions chimiques. La modélisation adoptée conduit aux équations de Navier- Stokes étendues à un mélange de gaz réactifs et l’approximation dite de couche mince est introduite. les résultats de la théorie cinétique des gaz simplifiés ont été utilisés grâce à certains modèles chimiques (Gardiner, Nasa et Park) et un modèle polynomial de la représentation thermodynamique du système a été choisi en tenant compte de l’ensemble des contributions (translation, rotation et vibration). Quant à la résolution numérique, elle s’est appuyée sur la classe de schémas implicites à propriété TVD (Harten–Yee et Yee–Roe-Davis), dont le but est la capture des ondes de chocs sans introduction d’oscillations parasites, tout en assurant une bonne précision de la solution.

Keywords

Modelling - Simulation - Hypersonic and reactive flows - Gas dynamics - Shock waves - Boundary layers – Aero thermo chemistry.

Simulation du phénomène de relaxation dans un écoulement réactif pariétal derrière un choc fort
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