Etude des flammes cryotechniques oxygène liquide-méthane à haute pression

High pressure cryogenic combustion of liquid oxygen and methane

• Auteur / Autrice : Ghislain Singla
• Direction : Sébastien Candel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthane

Flamme

Cryotechnique

Combustion, Théorie de la

Résumé

Le travail décrit dans ce manuscrit porte sur la combustion d'ergols cryotechniques oxygène liquide, méthane et hydrogène. Cette étude est centrée sur les problèmes associés à l'injection de méthane supercritique ou transcritique dans des configurations d'injection coaxiale semblable à celle utilisée dans les moteurs-fusées. La connaissance détaillée de ce type de combustion est nécessaire si on souhaite mieux maîtriser les systèmes utilisés actuellement ou développer de nouveaux moteurs utilisant le couple d'ergols oxygène liquide/méthane liquide. L'objectif est d'obtenir des informations expérimentales sur la combustion transcritique d'oxygène et de méthane liquide ou gazeux. On utilise à cet effet des méthodes de diagnostic optiques et notamment l'imagerie d'émission et de rétroéclairage. La structure de flamme est analysée et on traite des effets des conditions thermodynamiques d'injection, notamment des phénomènes nouveaux rencontrés lorsque les deux ergols sont transcritiques. Pour compléter les informations obtenues au moyen de l'imagerie d'émission et obtenir des structures instantanées de la zone de réaction, la flamme formée par l'injection d'oxygène liquide et de méthan~ ou d'hydrogène gazeux a été étudiée au moyen de la fluorescence induite du radical OH (PLIF OH). Un développement important a été réalisé pour appliquer cette méthode à l'étude des flammes cryotechniques haute pression. La dynamique du point d'accrochage de la flamme est examine��e au moyen des images de fluorescence. On montre que l'épaisseur de la lèvre du pitot LOx assurant la stabilité des flammes d'hydrogène s'avère insuffisante dans le cas du méthane.

The work described in this manuscript concerns cryogenie propellant combustion of liquid oxygen (LOx), methane and hydrogen. This study is focused on problems associated with supercrtitical or transcritical injection of methane in coaxial geometries similar to those usee in liquid rocket engines (LRE). Detailed knowledge of this type of combustion is necessary if one wishes to improve current systems or develop new engines operating with the liquid oxygen/liquid methane propellant couple. The objective is to get experimental information on transcritical combustion for the many possible injection situations. Optical diagnostics used to this purpose comprise emission and backlighting imaging. The flame structure is analyzed on this basis and effects ofthermodynamic injection conditions are examined. Planar laser induced fluorescence of OH (OH-PLlF) is used to complement informations obtained from emission imaging and determine instantaneous structures of the reactive layer. An important development is carried out to apply PLiF to the study of cryogenie high pressure flames. These data provide essential information on stabilization. One finds that the lip size of the LOx injector is sufficient to assure stabilization of the LOx/hydrogen flame but that it is too thin for the LOx/methane flames.