Développement d'une méthode de calcul d'écoulements mixtes continus-raréfiés pour les jets de moteur fusée

par Albert Awad

Projet de thèse en Énergétique

Sous la direction de Francis Dupoirieux.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences (Cachan, Val-de-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec ONERA - MFE - Mécanique des Fluides et Energétique (laboratoire) et de CentraleSupélec (2015-....) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2017 .


  • Résumé

    La connaissance des jets propulsifs issus des moteurs fusée dans des conditions de haute altitude est nécessaire pour diverses problématiques importantes. Deux exemples issus de la technologie spatiale sont : 1) La contamination (pollution des senseurs et/ou de la charge utile lorsque la coiffe a été éjectée) par le jet propulsif issu de la tuyère du moteur qui remonte sur la fusée; 2) La qualité des communications radio entre le lanceur et le sol, affectée par le jet propulsif qui est ionisé dans le cas des moteurs à propergols solides. Dans le cadre des interactions entre le jet et les ondes radar que l'on se propose d'aborder, il s'agit de simuler le jet de manière à connaitre la répartition notamment des électrons dans ce dernier. Dans ces conditions, les jets présentent notamment la caractéristique d'être fortement « éclatés », à tel point qu'une partie de l'écoulement issu de la tuyère peut remonter le long des parois de l'engin. La détente est telle que ces écoulements, denses et donc descriptibles par une approche « continue » de type équations de Navier-Stokes à l'intérieur du moteur, deviennent très vite raréfiés à l'extérieur du moteur. Ils requièrent alors une modélisation plus générale [3,4], de type équation de Boltzmann, que l'on résout par une approche statistique : la simulation DSMC (Direct Simulation Monte Carlo, [4]). Plus précisément, on peut recourir à une approche Navier-Stokes à l'intérieur du moteur (car la DSMC est extrêmement inefficace en régime continu) que l'on chaîne avec une simulation DSMC à l'extérieur du moteur, la limite entre les deux simulations étant définie par un critère de raréfaction. Les simulations DSMC permettent de représenter de nombreux aspects physiques des écoulements grâce à des modèles phénoménologiques : écoulements multiespèces, transfert d'énergie interne par collisions inélastiques, réactions chimiques. Cependant, le traitement des écoulements ionisés s'appuie sur plusieurs approximations concernant le traitement des électrons. D'abord les électrons constituent une espèce chargée : on fait alors l'hypothèse justifiée physiquement de diffusion ambipolaire. Cependant, les algorithmes DSMC utilisés ne représentent que partiellement cette physique, alors que la diffusion peut jouer un rôle très important dans les conditions d'intérêt. Une autre approximation concerne le traitement des réactions de production et de destruction des électrons pour certaines réactions. Pour progresser sur ce thème, il est intéressant de proposer un modèle DSMC décrivant plus rigoureusement ces processus. Par ailleurs, une approche intéressante testée sur des applications annexes consiste à découpler le calcul DSMC du calcul de cinétique chimique en utilisant un post- traitement de type lagrangien. Si cette approche s'avère applicable sur les jets, cela permettrait d'éviter le traitement des électrons dans l'approche DSMC.

  • Titre traduit

    Development of a method for calculating continuous-rarefied mixed flows for rocket engine exhaust plumes


  • Résumé

    Knowledge of propulsion jets from rocket engines in high altitude conditions is necessary for various important issues. Two examples from the space technology are: 1) Contamination (pollution of sensors and / or payload when the cap has been ejected) by the propellant jet from the engine nozzle which flows back on the rocket; 2) The quality of radio communications between the rocket and the ground, affected by the propulsion jet that is ionized, in the case of solid propellant engines. In the context of the interactions between the jet and the radar waves that are proposed to be addressed, to simulate the jet so as to know the distribution of the electrons in the latter. Under these conditions, the jets has, in particular, the characteristic of being highly "scattered" such that a part of the flow coming from the nozzle can flow back along the walls of the machine. The relaxation is such that these flows, dense and therefore descriptible by an approach "Continuous" following the Navier-Stokes equations inside the engine, become very rarefied outside the engine. They then require a more general model,such as the Boltzmann equation, which is solved by a statistical approach: the DSMC simulation (Direct Simulation Monte Carlo). More precisely, a Navier-Stokes approach can be used within the engine (because the DSMC is extremely inefficient in continuous flows) which is chained with a simulation model, the limit between the two simulations being defined by a criterion of rarefaction. DSMC simulations allow to represent many physical aspects of flows thanks to phenomenological models: multispecies flows, internal energy transfer by inelastic collisions, chemical reactions. However, the treatment of ionized flows is based on several approximations concerning the treatment of electrons. First the electrons constitute a charged species: one then makes the physically justified hypothesis of ambipolar diffusion. However, the DSMC algorithms used only partially represent this physics, whereas dissemination can play a very important role in the conditions of interest. The other approximation concerns the treatment of production and destruction of electrons for some reactions. To progress on this topic, it is interesting to propose a DSMC model describing more rigorously these processes. Moreover, an interesting approach tested on some applications consists of decoupling the DSMC calculation from the chemical kinetics calculation using a post- treatment of Lagrangian type. If this approach is applicable to jets, this would enable to avoid the treatment of electrons in the DSMC approach.