Multi-fidelity Bayesian inference of hypersonic flow free-stream conditions and heterogeneous chemistry model parameters

Inférence bayésienne multi-fidélité des conditions d'écoulement hypersonique et des paramètres de modèles de chimie hétérogène La caractérisation de l'interaction entre un vaisseau spatial entrant dans une atmosphère planétaire et le gaz environnant est une tâche difficile, nécessitant des expériences précises et des simulations haute-fidélité. Les prédictions numériques dépendent fortement des incertitudes de modélisation et expérimentales qui s'accumulent pendant le processus d'inférence. Les méthodes de quantification de l'incertitude offrent une structure puissante pour tenir compte de plusieurs sources d'incertitude. Les prédictions haute-fidélité pour les applications aérospatiales combinent des modèles physiques suffisamment complets pour prendre en compte des caractéristiques d'écoulement complexes, et une quantification rigoureuse de l'incertitude. En raison du grand nombre de simulations requises pour mener des études de quantification de l'incertitude, des représentations efficaces à basse fidélité sont attrayantes. Cependant, les simplifications contenues dans ces modèles peuvent conduire à une précision réduite, détériorant potentiellement le résultat d'un problème d'inférence. Dans cette thèse, notre objectif est de développer des outils et des méthodologies pour effectuer des prédictions précises à l'aide de solveurs haute-fidélité et de données expérimentales de pointe. Cette approche implique l'utilisation du solveur CFD US3D et d'une structure globale UQ pour résoudre des problèmes d'inférence, ce qui permet d'inclure l'erreur de maillage et d'utiliser des stratégies multi-fidélité. La première contribution de cette thèse concerne la production de solutions haute-fidélité pour chaque phénomène d'intérêt avec le solveur US3D. Ce dernier a été couplé à la librairie Mutation++, que nous avons étendue pour incorporer un modèle innovant d'ablation. La deuxième contribution concerne une étude sur l'influence de l'erreur de maillage sur la convergence des simulations haute-fidélité sous incertitude. Nous avons construit un modèle de substitution efficace en équilibrant les erreurs numériques associées au maillage et les incertitudes liées au problème. Nous avons appliqué cette méthodologie à la propagation des incertitudes du modèle pour caractériser la pression et le flux de chaleur subis par un véhicule de rentrée. Des résultats précis ont été obtenus avec un maillage grossier automatiquement aligné avec le choc pour chaque point d'entraînement. La troisième contribution concerne le développement d'une formulation multi-fidélité pour alléger le coût de calcul associé à la construction du modèle de substitution du solveur haute-fidélité et à son utilisation dans un problème d'inférence. Nous avons défini une méthodologie pour caractériser un jet hypersonique sous-détendu obtenu dans le moyen d'essai Plasmatron, pour laquelle aucune procédure standard de reconstruction des conditions en amont n'existait à ce jour. L'analyse nous a permis de caractériser les conditions d'écoulement à l'entrée de la tuyère et le coefficient de recombinaison catalytique de l'azote de la sonde utilisée pour mesurer le flux de chaleur et la pression. Les incertitudes caractérisées ont ensuite été propagées à travers le solveur numérique, fournissant une représentation haute-fidélité basée sur l'incertitude de la variabilité de la structure de l'écoulement supersonique. Dans la dernière application, nous avons élaboré une méthodologie pour l'étalonnage et l'évaluation d'un modèle chimique d'interaction gaz-surface à taux de réaction finis pour l’ablation. Plus précisément, nous avons déduit les taux des réactions élémentaires se produisant entre une surface de carbone et un gaz d'azote à partir d'expériences de type diffusion de faisceau moléculaire-surface et Plasmatron. L'analyse a montré que les deux ensembles de données expérimentales sont compatible avec le même modèle étalonné. En conclusion, nous avons proposé des outils stochastiques puissants pour déduire des conditions d'écoulement libre hypersonique et de paramètres de modèles chimiques hétérogènes.