Modélisation et simulation numérique de flammes planes instationnaires de perchlorate d'ammonium

par Shihab Rahman

Thèse de doctorat en Energétique fondamentale et appliquée

Sous la direction de Vincent Giovangigli.

Soutenue en 2012

à Paris 6 .

mots clés

• Ondes sonores
• Ondes élastiques
• Perchlorates

Résumé

La propulsion solide est aujourd'hui un des principaux modes de propulsion pour les lanceurs et missiles. Les propergols solides sont généralement constitués d'un oxydant, tel que le Perchlorate d'Ammonium (PA), d'un liant en polymère et de particules d'aluminium. La déflagration de ce type d'ingrédients énergétiques dans l'espace confiné de la chambre de combustion d'un MPS peut entraîner l'apparition d'instabilités de combustion destructrice, d'où une forte nécessité d'avancer la recherche sur ces instabilités d'un point de vue numérique. L'objet de la thèse a été de créer, pour le PA, un modèle multiphasique mono-dimensionnel et le solveur numérique associé permettant d'étudier la combustion instationnaire de cet ingrédient. Un modèle prenant en compte la chimie détaillée de la phase gazeuse, l'interface réactive, la propagation d'ondes acoustiques en phase gazeuse et d'ondes élastiques en phase spmide a été mis au point. Le solveur numérique associé a été créé et a permis de simuler l'interaction entre acoustique et combustion pour le PA. Il a été montré que, en fonction des modèles d'interface, la combustion présentait des instabilités notamment caractérisées par des extinctions et ré-allumages de la flamme. La nature de la réponse de cette flamme dépend de la fréquence d'excitation acoustique introduite dans le système. Les ondes entropiques générées en réponde à une onde acoustique incidente à basse fréquence sont responsables de la forte amplitude observée dans le phénomène de couplage entre combustion et acoustique au sein de la flamme de PA.

Titre traduit

Modelling and numerical simulation of plana unsteady ammonium perchlorate flames

Résumé

Solid rocket motors stand among the major propulsion systems used to launch civil and military space devices. They feed on solid propellants, which are usually composed of an oxidizing monopropellant, such as ammonium perchlorate (AP), polymeric binder and aluminum particles. Within the confined chamber of rocket motors, propellant combustion can lead to destructive instability phenomenan, hence numerical research is needed to better understand and overcome those issues. The thesis emphasized in creating a multiphase one-dimensional model to study unsteady combustion of AP. The model takes into account detailed gas-phase chemistry, reactive interface, and acoustic and elastic wave propagation. A numerical solver has been created and has been used to simulate combustion-acoustic coupling for AP. Depending on the interface models used, combustion instabilities were observed across successive spontaneous extinctions and ignitions. Flame response depended on incoming wave frequency and entropic waves were responsible for high amplitude of response.