La relaxation thermo-chimique d’écoulements hypersoniques d’azote derrière des chocs forts et pour des détentes en tuyères est étudiée en effectuant des simulations d’écoulements 1D basées sur une cinétique vibrationnelle détaillée. Ces modèles vibrationnels détaillés sont utilisés pour développer des modèles macroscopiques précis et peu coûteux en temps de calcul pour les codes multidimensionels d’écoulements de rentrée. On considère d’abord les couplages hors équilibre entre l’excitation vibrationnelle et les réactions de dissociation / recombinaison. La cinétique vibrationnelle est décrite en utilisant des bases de constantes de réaction vibrationnelles précises de la littérature, complétées par le modèle de l’oscillateur harmoniques forcé. Le rôle prépondérant des processus vibration-translation multiquanta sur la relaxation de la distribution vibrationnelle et les processus de dissociation / recombinaison est mis en évidence derrière les chocs et dans les tuyères. Les distributions vibrationnelles, qui dévient fortement de l’équilibre dans les détentes en tuyères, résultent des processus vibration-translation et de dissociation / recombinaison. Un modèle macroscopique utilisant des groupes de niveaux vibrationnels est développé pour calculer de manière consistante les termes sources de chimie et d’énergie vibrationnelle à partir de la base de constantes de réaction vibrationnelles. Ce modèle reproduit précisément les dynamiques des températures, de la chimie et des distributions vibrationnelles avec un groupe de niveaux derrière un choc et trois groupes de niveaux pour les détentes. Dans un second temps, le modèle détaillé est généralisé aux écoulements d’azote ionisé en adoptant en particulier un modèle détaillé des processus résonants électron-vibration. Derrière les chocs, ces processus contrôlent la dynamique d’ionisation en alimentant les électrons en énergie, jusqu’à ce que les échanges élastiques électron-ion prennent le relais. Il est montré que l’hypothèse couramment utilisée d’équilibre entre les températures des électrons et de vibration conduit à une relaxation trop rapide derrière les chocs. Dans les détentes en tuyère pour lesquelles la concentration en électrons est faible, la température des électrons est contrôlée par les processus électron-vibration. On observe que les électrons sont fortement couplés aux bas niveaux vibrationnels, et que le nombre de niveaux couplés augmente avec la température des électrons. Le couplage de l’écoulement avec le rayonnement, modélisé dans l’approximation des plans tangents, impacte fortement la population du second métastable et de deux états électroniques plus élevés de N. Finalement, le modèle macroscopique est généralisé à l’azote ionisé. Un bon accord avec le modèle détaillé est obtenu avec un groupe de niveaux derrière un choc et trois groupes de niveaux pour les détentes en tuyère. En particulier, le modèle macroscopique proposé décrit plus précisément les échanges électron-vibration que le modèle de Landau-Teller couramment utilisé. / The thermo-chemical relaxation of nitrogen hypersonic flows behind strong shocks and in nozzle expansions is investigated with 1D flow simulations and detailed vibrational kinetics. This work aims at deriving from detailed vibrational models accurate reduced models easy to implement in multidimensional reentry flow codes. First, nonequilibrium couplings between vibrational excitation, dissociation and recombination reactions are considered. Vibrational kinetics is described using accurate vibrational state-to-state rate constant databases of the literature completed with the forced harmonic oscillator model. The key role of multiquanta vibration-translation processes on the relaxation of the vibrational distribution function and the dissociation/recombination processes is put forward behind shocks and in nozzles. The vibrational distributions, which deviate strongly from equilibrium for nozzle expansions, are driven by vibration-translation processes and dissociation/recombination processes. A macroscopic model using groups of vibrational levels is developed to derive consistently the chemical and vibrational energy source terms from the vibrational state-to-state database.This model successfully reproduces the thermal, chemical and vibrational distribution function dynamics predicted by the state-to-state model with one group of levels behind a shock wave, and with three groups of levels in nozzle expansions. In a second step, the detailed vibrational model is extended to ionized nitrogen flows, including in particular a detailed modeling of the resonant electronvibration processes. Behind shocks, these processes control the rate of ionization by feeding energy to the electrons, up until the time when the elastic electron-ion exchanges takes over. It is shown that the widely used assumption of equilibrium between the electron and vibration temperatures predicts a too fast relaxation behind shock waves. In nozzle expansions, it is shown that for low electron concentration, the electron temperature is driven by electronvibration processes. Moreover, it is found that electrons are strongly coupled to low vibrational levels, and that more levels are coupled when the electron temperature increases. Coupling of the flow field with radiation is performed using the tangent slab approximation, and it is shown that the population of a metastable and two higher electronic levels are strongly impacted. Finally, the macroscopic model is extended to ionized nitrogen flows and is successfully applied on shock waves with one group of levels and with three groups of levels in nozzle expansions. In particular, the proposed macroscopic model represents more accurately the electron-vibration coupling than the widely used Landau-Teller model.

L'entrée hypersonique d'un objet dans la haute atmosphère d'une planète entraîne la création d'un plasma à la suite de la compression très intense du gaz incident à l'objet. Cette compression s'effectue dans une couche de choc présentant une grande richesse en déséquilibres dont la méconnaissance limite notre capacité à prédire avec précision les contributions convective, radiative et catalytique de la densité de flux d'énergie pariétale, pourtant cruciale pour l'optimisation du dimensionnement du système de protection thermique de l'objet. Les contributions précédentes dépendent fortement des densités de population des états excités qui échappent à un comportement de type boltzmanien et présentent une distribution dépendant des phénomènes élémentaires collisionnels et radiatifs. Dans ces circonstances, le but de ces travaux était d'étudier, dans les situations d'entrée dans l'atmosphère de Mars et de la Terre, le comportement des états excités de mélanges complexes (CO2 -N2 -Ar et N2 -O2 -Ar, respectivement) basée sur le développement de modèles collisionnels-radiatifs (CR) électro-vibrationnels spécifiques. Deux modèles CR ont ainsi été développés : CoRaM-MARS pour l'atmosphère martienne (22 espèces, 10^6 processus élémentaires) et CoRaM-AIR pour l'atmosphère terrestre (13 espèces, 500000 processus élémentaires). Ces modèles, mis en œuvre dans une approche lagrangienne à pression et température constantes dans des conditions thermodynamiques représentatives des situations d'entrée (notamment le cas FIRE II pour les entrées terrestres), ont montré que le rayonnement présente une influence très faible sur la cinétique des mélanges étudiés et que les écarts à la distribution de Boltzmann sont systématiques. Le très grand nombre d'états à prendre en compte interdit une intégration directe des modèles CR précédents dans des codes aérodynamiques. Cependant, une réduction à l'azote de ces modèles a été réalisée. Le modèle CR ainsi constitué (CoRaM-N2 , 5 espèces, 150 états, 40000 processus élémentaires) a été intégré à un code eulérien traitant les écoulements monodimensionnels d'après-choc ou de tuyère divergente. L'accord avec des résultats expérimentaux acquis en tube à choc à fort nombre de Mach est très satisfaisant. Pour des applications 2D ou 3D, des taux globaux ont par ailleurs été déterminés théoriquement pour (1) l'ionisation/recombinaison par impact électronique de l'azote, de l'oxygène, du carbone et de l'argon, (2) la dissociation/recombinaison de N2 , O2 par impact de N, N2 , O, O2 et (3) la dissociation/recombinaison de CO2 par impact de lourd. La comparaison avec des résultats expérimentaux montre un accord en général très satisfaisant. Les taux directs et inverses étant calculés de manière indépendante, il est montré que leur rapport s'écarte de la constante d'équilibre globale correspondante à mesure que la température augmente.