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Utilisation de la CFD dans l’industrie spatiale à EADS-ST

Michel POLLET michel.pollet@space.eads.net Pierre BRENNER pierre.brenner@space.eads.net

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Journée AAAF« Le Spatial »

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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Journée AAAF« Le Spatial »

17 novembre 2005 - Poitiers

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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17 novembre 2005 - Poitiers

Utilisation de la CFD dans l’industrie spatiale à EADS-ST

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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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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Utilisation de la CFD dans l’industrie spatiale à EADS-ST

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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Utilisation de la CFD dans l’industrie spatiale à EADS-ST

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