Simulation numérique des instabilités de combustion à haute fréquence dans les moteurs cryotechniques : vers une modélisation bas ordre plus prédictive.

Numerical Simulation of High-Frequency Combustion Instabilities in Cryogenic Rocket Engines: Towards More Predictive Low Order Models.

• Auteur / Autrice : Robin Nez
• Direction : Sébastien Ducruix, Thomas Schmitt
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Combustion
• Date : Inscription en doctorat le 01/12/2015
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : EM2C - Energétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion
• Partenaire(s) de recherche : référent : CentraleSupélec (2015-....)

Mots clés

Mots clés libres

Simulation aux Grandes Echelles

Modélisation bas ordre

Moteurs cryotechniques

Instabilités

Combustion

Large-Eddy Simulation

Low Order Modeling

Cryogenic Engines

Instabilities

Combustion

Résumé

La dynamique de la combustion est un problème clé dans le domaine de la propulsion. Dans les configurations à ergols liquides, des instabilités peuvent se manifester au cours des développements de moteurs fusées, et conduire à un fonctionnement dégradé ou dans certains cas extrêmes à l'endommagement du moteur. Ces instabilités résultent de l’interaction complexe entre le champ acoustique présent dans les chambres de combustion et les différents processus physiques conduisant au dégagement de chaleur dans les chambres. L'un des objectifs dans ce domaine est la simulation numérique des instabilités à hautes fréquences rencontrées lors du développement de certains moteurs fusées. La simulation aux grandes échelles (LES pour Large Eddy Simulation) constitue un moyen puissant dans la recherche des phénomènes physiques pouvant contribuer à ces instabilités. Les outils d'analyse de stabilité d’ordre réduit sont des approches complémentaires qui permettent d'obtenir une vision d'ensemble des phénomènes de couplage. Cette thèse vise à faire progresser l'outil d’ordre réduit d'analyse de stabilité en se fondant sur les apports de la LES et des essais existants, à échelle réduite et réelle. Le doctorant poursuivra le développement de l'outil d’ordre réduit en s'appuyant sur les études précédentes. Une attention particulière sera portée à une représentation précise de l'amortissement acoustique présents dans les configurations réelles et réduites. La compréhension et la modélisation de ces termes d'amortissement acoustique seront conduites par le biais de calculs LES dont les résultats seront confrontés à des mesures expérimentales. Les simulations LES seront mises à profit pour étudier la réponse de flamme et contribuer ainsi à l'amélioration de la modélisation du terme source de couplage acoustique dans le code d'analyse de stabilité. Pour cela, le doctorant sera entre autres amené à contribuer au développement du code AVBP par la prise en compte de conditions aux limites plus réalistes pour la propagation des ondes acoustiques dans les injecteurs.

Combustion dynamics is a significant issue in the field of aerospace propulsion. Within the framework of liquid rocket engines, instabilities can appear through the design process, and eventually lead to a degraded operation regime or in some extreme cases even damage the engine. These instabilities result from the complex interaction between the acoustic field in the combustion chamber and the various physical processes at the origin of the heat release. One of the objectives in this field is the numerical simulation of high-frequency instabilities encountered during the development of certain rocket engines. The Large-Eddy Simulation (LES) constitutes a powerful tool for the analysis of physical phenomena that may contribute to these instabilities. Low-order stability analysis tools constitute a complementary way to get a global representation of the coupling mechanisms. This thesis aims at enhancing the low-order stability analysis tool by making use of the LES and of existing experimental datasets, regarding both laboratory scale and realistic configurations. The PhD student will take over the reduced-order tool development by making use of the previous studies. Particular attention will be paid to a precise representation of the acoustic damping taking place within the realistic and downscaled configurations. The understanding and modeling of these acoustic damping terms will be carried out through LES simulations whose results will be confronted to experimental measurements. LES simulations will be put to use in order to study flame response and then contribute to enhancing the modeling of the acoustic coupling source term in the stability analysis code. To achieve this goal, the PhD student will have to contribute to the development of the code AVBP by considering more realistic boundary conditions for the propagation of acoustic waves through the injectors.