Injection de bi-ergols liquides par triplet de jets impactants : caractérisation fine de l’atomisation et de la combustion

Injection of Liquid Bipropellant by Impinging Jets Triplet : Fine Characterization of Atomization and Combustion

• Auteur / Autrice : Nicolas Riaud
• Direction : Marc Bellenoue, Bastien Boust
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 12/07/2021
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Grisch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lilian Prévost
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nabiha Chaumeix, Jérôme Anthoine

Mots clés

Mots clés contrôlés

Véhicules spatiaux -- Propulsion

Pulvérisation

Peroxyde d'hydrogène

Jets

Gouttes

Moteurs-fusées à ergols liquides

Fusées (aéronautique) -- Combustibles

Évaporation

Mots clés libres

Ergols verts

Combustion diphasique

Diagnostics optiques

Green propellant

Two-phase combustion

Optical diagnosis

Résumé

Dans une logique concurrentielle bouleversant le secteur spatial, l’Europe doit repenser ses lanceurs et leurs systèmes propulsifs. Substitut vert de l’hydrazine toxique, le peroxyde d’hydrogène est apte à stabiliser une combustion auto-entretenue d’un spray biergol avec l’éthanol ou des alcanes non hypergoliques. Il se pose alors la problématique des mécanismes qui la contrôlent dans la configuration d’injection par impact de jets. Deux bancs sont déployés à ces fins : AILEFS pour caractériser la pulvérisation inerte en environnement idéal et ACSEL pour l’étude de sa combustion en chambre avec les ergols et injecteurs usinés. Avec l’eau pour substitut du peroxyde, l’atomisation est caractérisée vis-à-vis des conditions opératoires : effet du jet central du triplet OFO, des vitesses de jets, et du liquide utilisé pour le combustible. L’atomisation pilotant l’évaporation des gouttes, leur granulométrie et leur vélocimétrie sont déterminées en plusieurs positions par ombroscopie à fort grossissement et comparées à un calcul de transport et d’évaporation. La pulvérisation d’ergols, caractérisée in situ en conditions réactives à iso-débit d’oxydant, met en évidence l’effet de l’environnement et de la position de la flamme, en comparaison au cas inerte. La combustion est ensuite diagnostiquée pour les sprays d’éthanol ou d’alcanes et en fonction du diamètre de col de la tuyère utilisée. À long temps de séjour, un rendement de vitesse caractéristique élevé est obtenu en éthanol. Un décrochage est rapidement observé en diminuant ce temps, ou en substituant le fuel par un alcane. S’appuyant sur la caractérisation des sprays, l’accrochage est alors analysé au regard des distributions de tailles de gouttes, des temps d’évaporation, et des recirculations. L’oxydant, qui présente une cinétique d’évaporation moins rapide que le combustible, est alors limitant pour la réaction ce qui est défavorable à l’accrochage en mélange riche.

In a competitive environment that is shaking up the space field, EU must rethink its launchers and propulsion systems. As a green substitute for toxic hydrazine, hydrogen peroxide is capable of stabilizing self-sustaining combustion in bipropellant spray of non-hypergolic ethanol or alkanes. Here comes the issue of the physical phenomena driving the OFO spray combustion. Two test benches are operated for this purpose: AILEFS to characterize inert atomization in ideal free environment, and ACSEL to study its combustion in a chamber with propellants and manufactured injectors. With water as a substitute of hydrogen peroxide, this study addresses the influence of operating conditions: the presence of the fuel central jet, the jets velocities, and the nature of the fuel. The atomization process that drives the droplets vaporization, size and velocity, is characterized in multiple positions using high magnification shadowgraphy and compared to a calculation of transport and evaporation. The combustion of propellants sprays is then characterized in situ at constant oxidizer mass flow rate. The effect of the environment and the flame position on the atomization process are highlighted in direct comparison with inert liquids. The combustion is then diagnosed for the alkanes or ethanol sprays, and depending on the nozzle throat diameter. At high residence time, the ethanol spray combustion yield to a high characteristic velocity efficiency. A flame lift-off is quickly observed by decreasing that time, or by substituting ethanol by alkane fuel. Based on the characterization of the sprays, the anchoring process is analyzed with regard to the droplets size distributions, evaporation time, and recirculation. The slow evaporation of hydrogen peroxide, longer than fuel’s, seems to be a limiting factor for the combustion process which may be responsible for the flame lift-off.