Structure des flammes cryotechniques à haute pression

par Amita Tripathi

Thèse de doctorat en Energétique

Sous la direction de Sébastien Candel.

Soutenue en 2001

à Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris , en partenariat avec Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne) (laboratoire) .

mots clés

• Flamme
• Cryotechnique

Résumé

Ce travail concerne l'étude expérimentale des phénomènes de combustion cryotechnique à haute pression se déroulant dans certains moteurs fusées. Deux campagnes d'essais avec une pression de chambre de part et d'autre de la pression critique de l'oxygène (10 et 70 bar) ont été effectuées sur le banc mascotte de l'Onera, équipé d'un injecteur coaxial alimenté en GH₂ /LO₂. La campagne à 10 bar a permis une mise au point des diagnostics (imagerie d'émission spontanée OH * et H₂O et spectroscopie). L'émission OH* a été couplée avec une méthode de déconvolution par transformée d’Abel pour déterminer les zones de réaction. Cette méthode a été validée en milieu fortement absorbant. Les résultats d'émission H₂O permettent de visualiser les produits chauds. D'après l'analyse des images et des temps caractéristiques des phénomènes (atomisations primaire et secondaire, évaporation et combustion des gouttes), l'atomisation et la combustion contrôlent la structure de la flamme. La zone de réaction est proche du jet en amont, puis s'ouvre pour englober le nuage de gouttes. Un rapport de quantité de mouvement élevé entre l'hydrogène et le LOx assure une rupture plus efficace. Les images d'émission permettent aussi d'estimer la densité de surface de flamme ainsi que le taux de dégagement de chaleur. La campagne à pression supercritique (70 bar) est inédite. Sur les images d'émission, la flamme s'écarte rapidement du jet. Une seconde expansion a lieu en aval où le jet se brise. Les mécanismes diffèrent des mécanismes subcritiques. Le jet s'épanouit par mélange turbulent et l'évaporation s'apparente à un phénomène de diffusion. Les temps caractéristiques des phénomènes (gazification, mélange et combustion) sont équivalents. Le temps de mélange peut même devenir plus élevé que celui d'évaporation, minimisant le rôle de l'atomisation. La flamme est plus courte et plus intense qu'a basse pression. Quelques aspects de ce processus sont simulés grâce au modèle de Delplanque-Sirignano.

Titre traduit

Cryogenic flames structure at high pressures

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