Prévoir le comportement des ondes de choc avec une modélisation informatique précise : un jeu d’enfant !

Les ondes de choc ne devraient pas être surprenantes : les ingénieurs de tous les domaines scientifiques doivent être capables de prédire avec précision comment les changements instantanés et importants de pression se produisent et se dissipent afin d’éviter tout dommage. Aujourd’hui, grâce à une équipe de l’université nationale de Yokohama, ces prédictions sont encore mieux comprises.

Dans un article publié le 19 août dans la revue Physics of Fluids, les chercheurs ont expliqué en détail comment les modèles informatiques utilisés pour simuler le comportement des ondes de choc représentent les « ondes de choc très faibles » d’une manière qui diffère nettement des prévisions théoriques et des mesures physiques.

Les ondes de choc correspondent à la pression exercée par une explosion ou par un objet se déplaçant plus vite que le son, comme un avion supersonique. Les ondes de choc faibles désignent les mêmes changements de pression, de densité et de vitesse, mais elles sont beaucoup plus petites que les ondes plus importantes et se déplacent à une vitesse proche de celle du son. Cependant, selon le coauteur Keiichi Kitamura, professeur à la faculté d’ingénierie de l’université nationale de Yokohama, les approches actuelles de modélisation informatique ont du mal à représenter avec précision ces ondes de choc très faibles.

« Les ondes de choc provoquent une compression instantanée, entraînant une augmentation de l’entropie ; il est donc essentiel de calculer avec précision les flux impliquant des ondes de choc », a déclaré le coauteur Keiichi Kitamura, professeur à la faculté d’ingénierie de l’université nationale de Yokohama.

L’entropie fait référence au désordre qui, contrairement à ce que l’on pourrait croire, augmente à mesure que l’onde se déplace. Selon M. Kitamura, ce désordre est au cœur des simulations d’ondes de choc. Les approches computationnelles conventionnelles classent les ondes de choc très faibles comme « diffuses », mais cette étiquette ne tient pas compte des variables plus nuancées de l’onde, en particulier lorsqu’elle se déplace.

« Les méthodes des volumes finis sont couramment utilisées pour traiter la discontinuité dans les simulations numériques, car elles permettent de conserver les variables même en cas de discontinuités de choc », commente M. Kitamura, précisant que les méthodes des volumes finis font référence au nombre spécifique de cellules utilisées dans une représentation computationnelle. « Cependant, le calcul des ondes de choc à l’aide des méthodes des volumes finis n’est pas toujours stable et, dans certaines conditions, présente des difficultés en raison de leur nature discontinue. »

Dans une analyse axée sur la compréhension des propriétés spécifiques des ondes de choc représentées numériquement, les chercheurs ont découvert que l’état final d’une onde de choc en mouvement peut être classé en trois régimes : dissipé, transitoire et faiblement capturé. Selon M. Kitamura, il semble que les simulations numériques non interrogées ajustent automatiquement les paramètres physiques supposés d’une onde de choc afin de la faire correspondre à l’entropie calculée.

« Ces travaux ont permis d’identifier le mécanisme des chocs faibles diffusés, qui était causé par le processus de génération d’entropie au sein des ondes de choc exprimées numériquement », a conclu M. Kitamura. « Nos conclusions permettront de combler le fossé entre la compréhension théorique et physique des ondes de choc faibles, ce qui pourrait contribuer à la conception de fusées et d’avions supersoniques plus sûrs, plus économiques et plus précis à l’avenir. »

Gaku Fukushima, chercheur postdoctoral au département de génie mécanique de l’Université de Sherbrooke au Canada, a été l’auteur correspondant de cet article. Au moment de la recherche, M. Fukushima était chercheur postdoctoral de la Société japonaise pour la promotion de la science à l’université nationale de Yokohama.

Article : « Peculiarity of moving weak shock computations: Entropy generation analysis of numerically expressed shock waves’ – DOI : 10.1063/5.0282374

Source : Yokohama National U.