APPLICATION DU PRINCIPE DE MOINDRE ACTION POUR LA SIMULATION D’ÉCOULEMENTS MULTIPHASIQUES COMPRESSIBLES Chocs Avancées 2018 / T. Vazquez-Gonzalez, A. Llor (DAM Île-de-France), C. Fochesato (CEA – Cadarache)

En dépit des progrès accumulés depuis plus de soixante ans dans le domaine, les schémas numériques pour la simulation d’écoulements hydrodynamiques présentent des limites : au CEA – DAM, les erreurs numériques sur l’entropie ont été identifiées comme étant l’une des sources premières du manque de robustesse. L’entropie étant une grandeur thermodynamique qui illustre le caractère irréversible des phénomènes physiques, cela a conduit à réanalyser les schémas historiques encore employés, en particulier ici à la lumière du principe de moindre action. Les résultats, très encourageants, conduisent parfois à des algorithmes contre-intuitifs.

ÉTUDE D’UN MATÉRIAU COMPOSITE EN CARBONE SOUMIS À UN ENVIRONNEMENT DE RENTRÉE ATMOSPHÉRIQUE Chocs Avancées 2018 / C. Levet, J. Couzi, J. Mathiaud (CEA – Cesta), B. Helber, J.-B. Gouriet, O. Chazot (Von Karman Institute, Belgique), G. Vignoles (Laboratoire des composites thermostructuraux (LCTS), UMR 5801 CNRS – CEA – Université de Bordeaux – Safran Ceramics, Pessac)

Les composites 3D carbone/ carbone ont une excellente tenue thermostructurale qui leur permet d’être utilisés comme protection thermique dans l’environnement le plus sévère des rentrées atmosphériques, où ils sont soumis au phénomène d’ablation. Les essais en vol étant rares et très coûteux, des essais au sol relativement représentatifs, avec des torches à plasma, sont un bon compromis pour comprendre le comportement du matériau, et notamment l’évolution de son état de surface. Celuici pilote en effet l’évolution drastique des flux de chaleur en favorisant le passage d’un écoulement laminaire à la turbulence. L’étude menée a permis de tester un composite 3D carbone/ carbone au Plasmatron de l'Institut von Karman et d’analyser finement sa microstructure de surface afin de comprendre son interaction avec l’écoulement.

Progrès marquants dans la compréhension de la fusion par confinement inertiel en attaque directe Chocs Avancées 2016 / S. LAFFITE, B. CANAUD, V. BRANDON, J.-L. BOURGADE, T. CAILLAUD, F. GIRARD, O. LANDOAS, S. LEMAIRE, L. MASSE, P. E. MASSON-LABORDE, F. PHILIPPE, C. REVERDIN, V. TASSIN (CEA – DAM Île-de-France), G. LEGAY (CEA – Valduc), M. TEMPORAL (ENS Cachan), J. DELETTREZ, V. GLEBOV, T. MICHEL, W. SEKA (Laboratory for Laser Energetics, Rochester, États-Unis)

Des progrès marquants dans la connaissance de la physique de l’implosion des cibles laser ont été récemment enregistrés grâce à des études complémentaires, expérimentales et numériques. D’une part, une campagne expérimentale dédiée à l’étude de l’implosion, sur le laser Omega à Rochester, a permis de prouver notre capacité à maîtriser une implosion ablative. D’autre part, la recherche systématique de points de fonctionnement à haut gain, par des simulations sur des familles de cibles, a permis de préciser les conditions d’inflammation.

Mise en évidence d’instabilités de Kelvin-Helmholtz dans les cavités d’ignition laser Chocs Avancées 2016 / M. VANDENBOOMGAERDE, M. BONNEFILLE, A. GRISOLLET, P. GAUTHIER (CEA – DAM Île-de-France)

Les expériences américaines de fusion par confinement inertiel font systématiquement apparaître un déficit de vitesse d’implosion de la capsule par rapport aux simulations numériques. Une des raisons de ce déficit est le rendement insuffisant de la cavité de conversion chargée de transformer l’énergie laser en rayonnement X. Cet article expose en détail la dynamique de la paroi de la cavité. Les simulations réalisées montrent le caractère instable de l’interface entre la paroi de la cavité et le gaz qui remplit cette dernière. Ces instabilités de Kelvin-Helmholtz pourraient contribuer à la dégradation du rendement de conversion X.

Schémas conservatifs pour la dynamique des gaz sur grilles cartésiennes décalées Chocs Avancées 2016 / G. DAKIN, H. JOURDREN (CEA – DAM Île-de-France)

Les équations de la dynamique des gaz interviennent dans une grande variété de problèmes physiques. La plupart des méthodes proposées dans la littérature visent à répondre à une classe particulière de ces problèmes. Une nouvelle méthode numérique est proposée pour approcher la solution de ces équations. Cette méthode, ou classe de schémas, permet de simuler un large spectre de problèmes comprenant ondes de choc, propagation acoustique à longue distance et dynamique des tourbillons. L’essentiel, pour une telle méthode, est d’assurer la capture correcte des chocs en vérifiant des critères de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l’énergie totale. En outre, elle est basée sur une formulation en grilles cartésiennes décalées qui permet de monter en ordre, mais aussi d’assurer une meilleure restitution des ondes acoustiques.

Propagation d’une onde de choc dans une mousse aqueuse Chocs Avancées 2015 / E. DEL PRETE (GA Techniques terrestres, Bourges), J.-F. HAAS, D. COUNILH, N. RAMBERT, F. BALLANGER (CEA – DAM Île-de-France), L. HOUAS, G. JOURDAN, C. MARIANI (Institut universitaire des systèmes thermiques industriels (IUSTI), Unité mixte de recherche 7343 CNRS – Aix-Marseille université), A. CHINNAYYA (Institut Pprime, Unité propre de recherche 3346 CNRS – École nationale supérieure de mécanique et d’aérotechnique (ENSMA) – Université de Poitiers), A. HADJADJ (Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (CORIA), Unité mixte de recherche 6614 CNRS – Institut national des sciences appliquées (INSA) de Rouen – Université de Rouen), S. FAURE (CEA – Marcoule)

Depuis plusieurs années, le CEA s’intéresse à la capacité des mousses aqueuses d’atténuer les ondes de souffle créées par une explosion. Des expériences en tube à choc, menées dans ce cadre, ont été mises à profit pour valider un code multiphasique. Elles ont permis de mettre en évidence les phénomènes prépondérants régissant le comportement des mousses sous choc, en l’occurrence la fragmentation de la mousse en gouttelettes et les transferts de quantité de mouvement entre les phases liquide et gazeuse. Des expériences de détonique générant une onde de souffle confortent ces analyses et montrent le rôle d’atténuation des mousses aqueuses.

Explorer et modéliser la dynamique et la structure des écoulements stratifiés instables turbulents Chocs Avancées 2015 / B.-J. GRÉA, A. BURLOT (CEA – DAM Île-de-France)

Grâce à un nouveau modèle, il devient possible de reproduire à moindre coût la dynamique des mélanges turbulents accélérés à densité variable, habituellement obtenus par les simulations numériques résolvant de manière directe les équations de Navier-Stokes. Cet outil permet de mieux comprendre la structure et la dépendance aux conditions initiales des zones de mélanges turbulentes, ainsi que d’améliorer les capacités de prédiction des modèles aux tensions de Reynolds lors des phases transitoires fortement instationnaires.

Schémas positifs pour la diffusion sur maillages non structurés Chocs Avancées 2015 / X. BLANC (Laboratoire Jacques-Louis-Lions (LJLL), Unité mixte de recherche 7598 CNRS – Université Denis-Diderot – Université Pierre-et-Marie-Curie, Paris), J.-S. CAMIER, F. HERMELINE, E. LABOURASSE (CEA – DAM Île-de-France)

Les équations de diffusion interviennent dans la modélisation de nombreux problèmes physiques. Maîtriser la positivité de la solution discrète de ces modèles est critique dans beaucoup d’applications (positivité de la température en conduction thermique, positivité de la densité d’énergie radiative en photonique, etc.). Jusqu’à présent, cette positivité était imposée par des corrections ad hoc, au prix possible d’une perte de consistance du schéma de diffusion. Une méthode est proposée, qui permet d’assurer la positivité de la solution du schéma sans sacrifier sa précision.

Évaluation de modèles aux tensions de Reynolds pour l'interaction de mélanges turbulents avec des chocs Chocs Avancées 2014 / J. GRIFFOND, O. SOULARD (CEA - DAM Île-de-France)

L'interaction de chocs avec des mélanges homogènes est un problème difficile pour les modèles de turbulence. On résume ici une démarche menée à la DAM et développée dans deux articles successifs. Le premier montre comment les résultats tirés de l'analyse d'interaction linéaire (LIA) peuvent être synthétisés en matrices de transfert reliant les valeurs amont et aval des corrélations turbulentes du second ordre. Ces résultats sont obtenus dans la limite des mélanges faiblement turbulents. Le second est dédié à l'évaluation de trois modèles aux tensions de Reynolds augmentés (RSM) pour le même type d'interaction avec des mélanges faiblement turbulents. Celui-ci montre comment dériver des matrices de transfert pour les RSM analogues à celles de la LIA puis comment comparer les matrices ainsi obtenues à la référence donnée par la LIA. Des corrections destinées à améliorer la compatibilité avec la LIA sont finalement proposées pour l'un de ces RSM.

Écoulements hypersoniques en atmosphère rarefiée - raffinement local de grille en vitesses Chocs Avancées 2014 / C. BARANGER, J. CLAUDEL, N. HEROUARD (CEA – CESTA), L. MIEUSSENS (Institut de Mathématiques de Bordeaux, UMR 5251 CNRS – Université de Bordeaux – Bordeaux INP)

De nombreuses méthodes déterministes simulant la dynamique des gaz raréfiés utilisent l’approximation en vitesse discrète de la fonction de distribution sur une grille cartésienne. Pour les écoulements hypersoniques tridimensionnels rencontrés dans les problèmes de rentrée atmosphérique, l’utilisation de ce type de grille rend les codes déterministes inutilisables en termes de taille mémoire et de temps de calcul, même sur le supercalculateur du CEA – DAM. Nous proposons une méthode de raffinement automatique de la grille de vitesse afin de diviser par 25 le coût d’un calcul en 3D (7 en 2D) tout en gardant la même précision sur le résultat.

Dynamique sub-picoseconde d’une surface d’aluminium lors d’une transition solide-liquide induite par laser Chocs Avancées 2013 / C. FOURMENT, F. DENEUVILLE, B. CHIMIER, D. DESCAMPS, F. DORCHIES, O. PEYRUSSE (Centre lasers intenses et applications - CELIA, UMR 5107 CNRS−CEA−Université de Bordeaux, Talence), P. COMBIS, L. VIDEAU (CEA - DAM Île-de-France)

La position d’une surface d’aluminium suivant son chauffage par une impulsion laser ultracourte a été mesurée avec une précision nanométrique et une résolution temporelle de l’ordre de 50 femtosecondes (10-15 s). La méthode expérimentale repose sur l’interféro-polarimétrie d’un faisceau sonde en réflexion sur la surface étudiée. Les mesures montrent un excellent accord avec le code hydrodynamique 1D ESTHER lorsque l'on décrit correctement la couche d’oxyde d’aluminium présente à la surface de la cible. L’expérience permet en outre la mesure des propriétés optiques (fonction diélectrique) de l’aluminium au cours de sa relaxation après le chauffage. Nous avons ainsi pu caractériser la propagation de l’onde de raréfaction sous la surface d’aluminium.

Impacts hypervéloces sur du graphite : expériences et simulations Chocs Avancées 2013 / D. HÉBERT - G. SEISSON - I. BERTRON - J.-M. CHEVALIER - L. HALLO / CEA − Cesta L. VIDEAU, P. COMBIS (CEA − DAM Île-de-France), F. GUILLET (CEA − Le Ripault), M. BOUSTIE (ENSMA, Institut PPRIME, Université de Poitiers), L. BERTHE (ENSAM ParisTech, Paris)

La modélisation des impacts hypervéloces couvre une large gamme d’applications, dont la protection de satellites contre les débris spatiaux et celle d’équipements au sein des lasers de puissance tels que le LMJ. Le carbone, utilisé dans de nombreux matériaux composites, présente ainsi un fort intérêt. La compréhension de son comportement est donc une étape indispensable pour interpréter et simuler l’endommagement dans les composites à l’échelle mésoscopique. Nous présentons ici des résultats expérimentaux d’impacts à plus de 4 km/s d’une bille d’acier sur un graphite poreux. Des tomographies ont permis d’observer que les débris de la bille d’acier étaient présents sous la surface endommagée du matériau. Les simulations numériques permettent d’interpréter et de restituer les principaux phénomènes. Nous montrons enfin l’intérêt d’expériences de choc laser pour ajuster certains coefficients du modèle.

Description statistique des structures Zeeman dans les plasmas chauds Chocs Avancées 2012 / J.-C Pain, F. GiLLerona (CEA - DAM Île-de-France)

Quantifier l’influence d’un champ magnétique sur les profils de raies spectrales est important en astrophysique, en fusion par confinement inertiel ou encore pour les expériences sur des installations Z-pinch. Les structures Zeeman peuvent être décrites de manière statistique, en utilisant une distribution de Gram-Charlier (Gaussienne multipliée par une combinaison linéaire de polynômes de Hermite) paramétrée par les quatre premiers moments représentant force, énergie, asymétrie et aplatissement.
Cette méthode permet d’estimer rapidement et avec une bonne précision l’effet d’un champ magnétique intense sur un spectre.

Évaluation des flux d’électrons dans la magnétosphère Chocs Avancées 2012 / d. Mourenas, J.-F. riPoLL (CEA - DAM Île-de-France)

Les satellites sont constamment soumis aux électrons énergétiques en provenance du soleil qui sont piégés par le champ magnétique terrestre dans des ceintures de radiations. Les doses reçues par l’électronique dépendent fortement de l’activité solaire et de la dynamique de la magnétosphère, en particulier des ondes électromagnétiques qui transportent les électrons d’une ligne de champ à une autre ou les précipitent dans l’atmosphère. L’objet de ce travail est le calcul analytique du temps de vie de ces électrons, nécessaire aux calculs de dose et utilisable dans des modèles globaux de prévision de météorologie spatiale. Leur utilisation pourrait à terme accélérer ces modèles et aider à estimer leur fiabilité.

Le projet POLAR est un projet d’astrophysique de laboratoire dont l’objectif est de reproduire les processus de hautes énergies que l’on rencontre dans les variables cataclysmiques magnétiques. Au fait que le rayonnement, la matière et le champ magnétique sont fortement couplés dans ces environnements extrêmes, s’ajoute la difficulté à les observer directement, ce qui complique encore leur modélisation. Grâce aux remarquables propriétés de similarité qu’ils présentent, nous pouvons, à l’aide des lasers de puissance, en reproduire une réplique homothétique et caractériser sa dynamique. Ainsi, les expériences lasers deviennent des outils essentiels et complémentaires aux observations astronomiques afin de tester, valider et améliorer notre compréhension des phénomènes astrophysiques.

L’astrophysique de laboratoire est une nouvelle thématique visant à étudier des phénomènes et objets astrophysiques en laboratoire, à l’aide de lasers de puissance. Le lien entre le plasma laser et celui d’astrophysique est établi par des lois d’échelle, étudiées pour différents régimes d’hydrodynamique radiative. Pour la première fois, la pertinence de ces expériences pour l’astrophysique est démontrée de façon rigoureuse.

L'interaction d'un jet de plasma supersonique avec différents gaz à des pressions variées a été étudiée expérimentalement, analysée et interprétée numériquement. En changeant la nature du gaz, nous avons obtenu des évolutions quasi adiabatiques ou, au contraire, fortement dépendantes du refroidissement radiatif. Les structures obtenues sont similaires à celles observées dans certains objets astrophysiques à l’image des chocs courbes se propageant dans les gaz moléculaires, les matériaux sous choc, les discontinuités de contact et les disques de Mach.

Parmi les différentes voies qui sont suivies dans le but d’obtenir la fusion thermonucléaire par confinement inertiel (FCI), celle de l’allumage par chocs est particulièrement bien adaptée aux exigences d’un futur réacteur. Cette approche est développée au laboratoire CELIA, avec des premiers résultats prometteurs.

Lors de la montée en puissance du Laser MegaJoule (LMJ), l’activation des 160 premiers faisceaux laser permettra de réaliser des expériences d’ignition. Ces expériences seront contraintes par une puissance laser et une symétrie d’irradiation du microballon fusible réduites par rapport au schéma à 240 faisceaux. Depuis 2002, nous utilisons une nouvelle géométrie de cavité en forme de ballon de rugby sur l’installation laser Omega (États-Unis). Des codes de simulation et des modèles montrent, qu’à l’échelle du LMJ, cette cavité présente des avantages par rapport à une cavité classique : elle permet de maintenir une bonne irradiation et réduit l’énergie laser à investir.

Dans le cadre des plasmas de fusion par laser, on étudie un problème de ralentissement de particules chargées suprathermiques. Nous nous plaçons dans le cadre d’une géométrie aléatoire binaire composée de deux matériaux et nous cherchons à déterminer la fraction P de particules qui s’arrêtent dans un des matériaux.

La Ligne d’Intégration Laser (LIL) a produit, en décembre 2005, une série de tirs de puissance destinés à une campagne d’expérience de physique des plasmas. Il s’agit en fait de la première campagne d’expériences “ouvertes”, c’est-à-dire réalisées pour les besoins de la recherche académique.
L’expérience, proposée par le CELIA suite à un appel d’offre de l’Institut des Lasers et Plasmas, a été préparée et conduite par une équipe réunissant des physiciens du CELIA, de l’École Polytechnique, de la Direction des sciences de la matière du CEA, et du CEA - DAM. Elle avait pour but de mesurer la vitesse de l’onde thermique induite par l’éclairement laser dans une cible solide, dans des conditions comparables à celles qui règneront dans les cibles de fusion par confinement inertiel qui seront expérimentées sur le Laser MégaJoule (LMJ).