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Utilisation de la CFD dans l’industrie spatiale à EADS-ST
Michel POLLET [email protected] Pierre BRENNER [email protected]
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17 novembre 2005 - Poitiers
1. Introduction :- les activités liées aux écoulements à EADS-ST- l’utilisation de la CFD
2. Les outils de CFD à EADS - ST Les Mureaux
3. Quelques exemples d’études relatifs aux missiles et lanceurs
Utilisation de la CFD dans l’industrie spatiale à EADS-ST
SOMMAIRE
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1. Introduction : les activités EADS-ST
Des écoulements propulsifs
Aerodynamique interne, Tuyères...
Effets des jets, Environnement
Phases transitoires (Décollage, Séparations…)
Contamination
À l’aérodynamique externe
Montée atmosphérique
Conception & caractérisation
Rentrées
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1. Introduction : les activités EADS-ST
NB : peu de propulsion liquide en CFD aux Mureaux Fait en Allemagne
Principales Activités
PROGRAMMES INDUSTRIELS
ARIANE 5 (Décollage, acoustique, buffeting, effets de jets, contamination...)
ATV (pollution, vibro-acoustique…)
Missiles ballistiques (M51) (phases transitoires, effets de jets, allumage,…)
Programmes militaires: TN….(Rentrée, Signatures IR)
PROGRAMMES FUTURS et R&D
RLV & Demonstrateurs ( Définitions/optimisation de formes, rentrée…)
« Après » A5 (le cas échéant)
R&T Cnes et R&D EADS (Ecoulements de culot, Buffeting, Ondes de Souffle, Aeroelasticité, Chocs, Catalicité, Développements en CFD…)
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Objectifs : Montrer Ce qu’on fait en CFD pour les lanceurs et missiles Comment on fait Les problèmes et limitations que l’on rencontre Les perspectives
Spécificités : 80% des calculs font intervenir des écoulements à Mach >1 80% des calculs sont multi-espèces Beaucoup de pbs font intervenir des pbs physiques spécifiques
(haute altitude, plasma, particules…)
1. Introduction : l’utilisation de la CFD
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Les questions à se poser avant tout calcul CFD:
Le problème a-t-il déjà été étudié auparavant, et, si oui, comment ? Quel besoin a-t-on en précision sur les niveaux de résultats ? A quoi ressemble la géométrie à étudier ? Quels sont les enjeux industriels ?
Peut-on simplifier ?- Méthodes analytiques 0D- Calcul 2D au lieu de 3D
Choisir l’outil le plus adapté au problème Combien de temps calcul faudra-t-il? Combien de temps d’ingénieur faudra-t-il?
Si calcul 3D complet
1. Introduction : l’utilisation de la CFD
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Utilisation de la CFD dans l’industrie spatiale à EADS-ST
2.1 Génération de maillages
2. Les Outils de CFD
2.2 Un exemple de problématique : l’aéro externe
2.3 Les outils actuels utilisés à EADS-ST
2.4 Les outils « futurs » en aérodynamique
2.5 La validation
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2.1 Génération de maillages
La qualité des résultats dépendra de :- la qualité du maillage- la précision du schéma
Quelques règles : mailler en héxaèdres, maillage très régulier en paroi (flux th….)
Aerodynamique Externe : Maillages multi-blocs structurés Utilisation d’outils commerciaux: ICEM, Master Series (IDEAS),...
Aerodynamique interne et Géométries complexes : Maillages non structurés : Utilisation d’outils spécifiques:
- GAMBIT (from Fluent), Home tools, … - Méthode de chevauchement de FLUSEPA
2. Les Outils de CFD
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SYSTEME COMPLET
Parties mobiles
CONFIGURATIONDE CALCUL
Exemple de chevauchement de maillage
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2.2 Un exemple de problématique : l’aéro externe
2. Les Outils de CFD
Altitude FLOW REGIME
FREE MOLECULAR
RAREFIED
CONTINUUMViscous Merged LaminarLayer
Boundary LayerTurbulent
High
Medium
Low
BOLTZMANN/DSMC
NAVIER-STOKES
EULER + BOUNDARY LAYER
REAL GASEFFECTS
PERFECT GAS REAL GAS EquilibriumPLASMA Non Equilibrium
Enthalpy
NUMERICAL SIMULATION
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2.3 Les outils actuels utilisés à EADS-ST
2. Les Outils de CFD
- Ecoulements Basse Vitesse: FLUENT & FLUSEPA
- Ecoulements Moyenne & Haute Vitesse: Euler + Boundary Layer : NSMB (Cerfacs) +3C3D (Onera) Navier Stokes : NSMB (Cerfacs) (externe)
FLUSEPA (EADS) (interne / externe) MSD (ONERA) (interne) → CEDRE
- Ecoulements RaréfiésMonte-Carlo : IEMC (interne)
- Ecoulements Multi-fluides (Dynamique Rapide) NS pour Solide, liquide, gaz avec positionnement d’interface
MULTIMA (interne)
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2.4 Les outils « futurs » en aérodynamique
2. Les Outils de CFD
CEDRE de l’ONERA TAU du DLR FLOWSIM : outil commun EADS à base d’ELSA / TAU
NB :
1) Le « meilleur » code , c’est celui qu’on connaît et qu ’on sait utiliser
2) Il faut savoir évoluer
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2.5 La validation
2. Les Outils de CFD
Pour l’aéro externe et la haute altitude Les essais en soufflerie (Meudon, F4,..) Les mesures en vol (ARD, Pré X, Navette US, Essais spécifiques
Pour l’aéro interne et les effets des jets Essais petite échelle, qualif, et Vols
NB :
1) La validation et les essais restent indispensables en aéro dans ¾ des cas
2) Cette proportion commence à diminuer dans les domaines maîtrisés : séparations d’étages, …
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3.1 Aérodynamique / Aérothermodynamique
3. Quelques exemples
3.2 Aérodynamique Haute Altitude / Pollution -Contamination
3.3 Aérodynamique Stationnaire / Instationnaire et Effets des jets
3.4 Ecoulements Multi-phasiques
3.5 Ecoulements Multi-Fluides
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3.1 Aérodynamique / Aérothermodynamique
3. Quelques exemples
Détermination de forme / optimisation : FLPP, X38, Pré-X... Détermination des coefficients aérodynamiques
Parfois difficile : Arrière-corps A5
Définition / Exploitation des essais et mesures en vol Détermination des flux thermiques (phase montée / rentrée)
Qualité du maillage Modèle de Turbulence Cinétique chimique pour écoulements à haut Mach
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3.1 Aérodynamique / Aérothermodynamique
Calcul NSMB Euler : KP PreX Mach 10
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3.1 Aérodynamique / Aérothermodynamique
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3.1 Aérodynamique / Aérothermodynamique
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3.1 Aérodynamique / Aérothermodynamique
Effets de Gaz Réel
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3.1 Aérodynamique / Aérothermodynamique
Ecoulements avec chimie
atmosphère marsienne sur un corps émoussé
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3.1 Aérodynamique / Aérothermodynamique
Turbulence : Ecoulement sur parevent M51
X
Y
0 1000 2000 3000 4000
-1000
0
1000
M51 - MACH 1.5 - ALPHA 3.5PRESSION ET LIGNES DE COURANT DANS LE PLAN DE SYMETRIE
X
Y
0 1000 2000 3000 4000
-1000
0
1000
M51 - MACH 1.5 - ALPHA 3.5DENSITE DANS LE PLAN DE SYMETRIE
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3.1 Aérodynamique / Aérothermodynamique
Stabilité dynamique d’une capsule type Huyghens
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3.2 Aérodynamique Haute Altitude / Pollution -Contamination
3. Quelques exemples
Aerodynamique classique Haute Altitude : Pressions, Efforts... Fait intervenir des Méthodes Monte-Carlo spécifiques
Détermination des Effets de Jet et de la Contamination Problèmes divers: éclatement de jet, dégazage… Etudes concernées : ATV, Satellites, TN, Lanceurs Futurs…
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3.2 Aérodynamique Haute Altitude / Pollution -Contamination
Effets des Jets ACS sur X38
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3.2 Aérodynamique Haute Altitude / Pollution -Contamination
Monte-Carlo SimulationImpact of ARIANE 5 Upper Stage Acceleration Rockets
On EPC Upper Dome
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3.2 Aérodynamique Haute Altitude / Pollution -Contamination
Monte-Carlo SimulationATV Inner materials outgassing
Molecual deposit on solar cells and external equipments
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3.2 Aérodynamique Haute Altitude / Pollution -Contamination
Pollution de l’ISS par l’ATV
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3.3 Aérodynamique Stationnaire et Effets des jets
3. Quelques exemples
Aerodynamique Basse Vitesse (Problèmes de Ventilation sur A5) Outils spécifiques écoulements incompressibles : FLUENT
Environnement généré par gas chauds et jets : (impact de jets, performances des tuyères, phémomènes locaux (flux,…) Multi-espèces, multi-phases (Alumine, Eau…) Ecoulements Réactifs (combustion, recombustion…)
Acoustique Modèles de Turbulence spécifiques, LES... Schémas d’ordre élevé
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3.3 Aérodynamique Stationnaire et Effets des jets
Mission Globalstar/Soyouz : Ventilation
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3.3 Aérodynamique Stationnaire et Effets des jets
Recombustion au culot d’un Missile
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3.3 Aérodynamique Stationnaire et Effets des jets
Recombustion au culot d’un Missile
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3.3 Aérodynamique Instationnaire et Effets des jets
3. Quelques exemples
Problèmes divers et variés:
Séparations d’étages , Explosions de moteurs, Onde de Souffle, Allumage des Propulseurs , “Buffeting”, Aéroélasticité…
Nécessité d’utiliser des algorithmes spécifiques :- pour la résolution en temps- pour la précision- pour le traitement des corps mobiles
Nécessité d’avoir des calculateurs “puissants”
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45 s3.3 Aérodynamique Instationnaire et Effets des jets
Calcul de séparation d’étages
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Utilisation de la CFD dans l’industrie spatiale à EADS-ST
verin pneumatique
portique
tige du verin
maquette de l'étagelargué
tuyère
maquette de l'étagesupérieur
support + moteur
chambre à vide
3.3 Aérodynamique Instationnaire et Effets des jets
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Sortieoriginelle
ODS Ariane 5
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Sortieoriginelle
ODS Ariane 5
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Utilisation de la CFD dans l’industrie spatiale à EADS-ST
ODS Ariane 5
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3.3 Aérodynamique Instationnaire et Effets des jets
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Aéroélasticité Ariane 4
3.3 Aérodynamique Instationnaire et Effets des jets
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Les « Side loads » Vulcain2
3.3 Aérodynamique Instationnaire et Effets des jets
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Les « Side loads » Vulcain2
3.3 Aérodynamique Instationnaire et Effets des jets
Pression 2D
Chimie
9 réations
7 espèces
H2, O2,H2O,O,OH,H,N2
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Les « Side loads » Vulcain2
3.3 Aérodynamique Instationnaire et Effets des jets
2. Calcul 3D (en cours)
Prise en compte du pas de tir et des Amef
Prise en compte des effets 3D à l’injection (TEG,…)
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3.4 Ecoulements Multi-phasiques
3. Quelques exemples
Ecoulements faisant intervenir : des particules (Alumine) des Gouttes (H2O) avec vaporisation / condensation
Code Lagrangien + dispersion turbulente (DISTURB) Code PNSTURDI : parabolisé NS (+ k +cinétique) + 5 tailles particules CEL3BL / FLUSEPA V5 (particules traitées en phase Euler)
- Ecoulements propulsifs avec particules- Jets avec particules- Ecoulements avec eau (Chasse missile, écoulements Carneaux,…)
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3.4 Ecoulements Multi-phasiques
Etude du dépôt d alumine Fond AR P230
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3.4 Ecoulements Multi-phasiques
Jets des FA A5
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3.4 Ecoulements Multi-phasiques
Chasse MSBS :Ecoulement de chasse dans un fond de tube
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3.5 Ecoulements Multi-Fluides
3. Quelques exemples
Ecoulements faisant intervenir : des matériaux non miscibles, liquides, solides , ou gaz (Dynamique Rapide)
Avec calcul d’interface entre matériaux (Méthode VOF)
MULTIMA
- Calculs de pyrotechnie- Calculs de sortie d’eau- Calculs d’explosion : détonique
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3.5 Ecoulements Multi-Fluides
Cordeau pyrotechnique A5
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3.5 Ecoulements Multi-Fluides
Dépôt d’alumine dans le Fond AR P230
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3.5 Ecoulements Multi-Fluides
Sécutité :Explosions dans Bâtiments
Ondes de souffle
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3.5 Ecoulements Multi-Fluides
Sécutité :Explosions dans Bâtiments
Zones de danger
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APPLICATIONS EXTERNES
- Calculs de dépressurisation cabine A380 (voir Airbus)- Ejection de missiles tactiques hors de leur contenaires (voir MBDA)- etc…
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Dépressurisation A380
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3. Conclusions
Beaucoup d’outils : Utiliser le meilleur selon :
l’application à réaliser
l’expérience que l’on a du problème
le budget
EADS possède quelques outils robustes et efficaces, surtout pour l’interne :
FLUSEPA 3D NS complet
PNSTURDI
Quelques spécialités :
Corps mobiles
Calculs instationnaires
Pollution / Contamination
Effets de jets,…
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Journée AAAF« Le Spatial »
17 novembre 2005 - Poitiers
Utilisation de la CFD dans l’industrie spatiale à EADS-ST
3. Conclusions
Experience limitée : Manque de validation :
Propulsion liquide
Modélisation Turbulente pour les écoulements instationnaires
Futurs Développements / Collaborations :
FLUSEPA : Finalisation
CEDRE (ONERA) : code NS « complet » pour combustion, hypersonique… (en développement)
L’utilisation industrielle de la CFD devient une réalité