Simulation de collisions, coalescence et rupture de gouttes par une approche lagrangienne : application aux moteurs à propergol solide

par Pascal Achim

Thèse de doctorat en Sciences et techniques

Sous la direction de Alain Berlemont.

Soutenue en 1999

à Rouen .

mots clés

• Application spatiale
• Alumine
• Métal liquide
• Simulation numérique
• Ecoulement diphasique
• Fusées à propergol solide
• Gouttes
• Moteurs thermiques
• Écoulement diphasique
• Combustion

Résumé

La dispersion de gouttelettes d'alumine liquide dans les propulseurs à propergol solide du lanceur Ariane 5 est simulée par une approche lagrangienne stochastique à une particule. L'évaluation des temps de collision, plus petits que le temps de séjour moyen des gouttes dans la chambre de combustion, a conduit à l'implantation d'un module de collisions binaires dans le code PALAS. Une étude des taux de collision en écoulement turbulent et de l'efficacité de collision a permis la construction d'une procédure dans laquelle les chocs sont simulés par une succession de processus aléatoires. Les calculs ont montré que les collisions seules affectaient peu la répartition des gouttelettes dans le propulseur ainsi que la quantité de matière piégée dans la cavité formée par la tuyère intégrée. L'hypothèse d'indépendance statistique des particules au cours des chocs est discutée. Une procédure de détermination de la vitesse de la particule rencontrée prenant en compte une fonction de corrélation de vitesses a été élaborée. Les calculs effectués sur un cas test de turbulence isotrope ont permis de mettre en évidence que l'influence des corrélations de vitesses était significative si le temps de relaxation des particules était inferieur à l'échelle intégrale temporelle de la turbulence, ce qui n'est pas le cas dans les propulseurs. Les collisions entre les gouttelettes sont accompagnées de phénomènes de coalescence et de rupture secondaire. Une étude bibliographique a permis d'isoler les mécanismes susceptibles de se produire dans les propulseurs. La coalescence conduit à une augmentation de la quantité de matière piégée dans la cavité arrière. La prise en compte de la rupture et de l'efficacité de collision permet de réduire l'influence de la coalescence. Le taux de dépôt obtenu avec le calcul complet est supérieur à celui obtenu sans prise en compte des interactions.

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