Modélisation et simulation d'écoulements diphasiques polydisperses modérément denses chargés de particules nonométriques à modérément inertielles avec coalescence : application aux moteurs à propergol solide

Eulerian modeling and simulation of polydisperse moderately dense coalescing spray flows with nanometric-to-inertial droplets : application to Solid Rocket Motors

• Auteur / Autrice : François Doisneau
• Direction : Marc Massot, Frédérique Laurent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energie, mathématiques appliquées
• Date : Soutenance le 11/04/2013
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Châtenay-Malabry, Hauts de Seine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Paul Kuentzmann
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Massot, Frédérique Laurent, Olivier Simonin, Mohammed Lemou, Shankar Subramaniam, Joël Dupays, Franck Nicoud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Simonin, Mohammed Lemou, Shankar Subramaniam

Mots clés

Mots clés contrôlés

Combustion

Propergols

Fusées à propergol solide

Mots clés libres

Moteur à Propergol Solide

Spray modérément dense

Atomisation secondaire

Solid Rocket Motor

Moderately dense spray

Secondary break-up

Résumé

Dans un moteur à propergol solide, l’écoulement dépend fortement des gouttes d’alumine en suspension, dont la fraction massique est élevée. La distribution en taille des gouttes, qui s’élargit avec la coalescence, joue un rôle clef. Or résoudre des écoulements diphasiques polydisperses instationnaires avec une bonne précision sur la taille est un défi à la fois sur le plan de la modélisation et du calcul scientifique: (1) de très petites gouttes, par exemple résultant de la combustion de nanoparticules d’aluminium, subissent mouvement brownien et coalescence, (2) de petites gouttes ont leur vitesse conditionnée par leur taille de sorte qu’elles coalescent lorsqu’elles ont des tailles différentes, (3) des gouttes plus grosses peuvent se croiser par effet d’inertie et (4) toutes les gouttes interagissent de manière fortement couplée avec la phase porteuse. En complément des approches lagrangiennes, des modèles eulériens ont été développés pour décrire la phase dispersée à un coût raisonnable, et ils permettent un couplage aisé avec la phase porteuse ainsi que la parallélisation massive des codes: les approches eulériennes sont bien adaptées aux calculs industriels. Le modèle Multi-Fluide permet la description détaillée de la polydispersion, des coreélations taille/vitesse et de la coalescence, en résolvant séparément des “fluides” de gouttes triées par taille, appelés sections. Un ensemble de modèles est évalué dans cette thèse et une stratégie numérique est développée pour effectuer des calculs industriels de moteurs à propergol solide. (1) La physique des nanoparticules est évalué et incluse dans un modèle de coalescence complet. Des méthodes de moments d’ordre élevé sont ensuite développées: (2) une méthode à deux moments en taille est étendue à la coalescence pour traiter la physique de la polydispersion et les développements numériques connexes permettent d’effectuer des calculs applicatifs dans le code industriel CEDRE; (3) une méthode basée sur les moments en vitesse du deuxième ordre, un schéma de transport à l’ordre deux sur maillages structurés ainsi qu’un modèle de coalescence sont développés. Des validations académiques de la stratégie pour gouttes d’inertie modérée sont effectuées sur des écoulements complexes puis avec de la coalescence; (4) une stratégie d’intégration en temps est développée et mise en œuvre dans CEDRE pour traiter efficacement le couplage fort, dans des cas instationnaires et polydisperses incluant de très petites particules. L’ensemble des développements est soigneusement validé: soit par des formules analytiques ad hoc pour la coalescence et pour le couplage fort d’une onde acoustique; soit par des comparaisons numériques croisées avec une DPS pour la coalescence et avec des simulations lagrangiennes de cas applicatifs, coalescents et fortement couplés; soit par des résultats expérimentaux disponibles sur une configuration académique de coalescence et sur un tir de moteur à échelle réduite. La stratégie complète permet des calculs applicatifs à un coût raisonnable. En particulier, un cal- cul de moteur avec des nanoparticules permet d’évaluer la faisabilité de l’approche et d’orienter les efforts de recherche sur les propergols chargés de nanoparticules.

In solid rocket motors, the internal flow depends strongly on the alumina droplets, which have a high mass fraction. The droplet size distribution, which is wide and spreads up with coalescence, plays a key role. Solving for unsteady polydisperse two- phase flows with high accuracy on the droplet sizes is a challenge for both modeling and scientific computing: (1) very small droplets, e.g. resulting from the combustion of nanoparticles of aluminum fuel, encounter Brownian motion and coalescence, (2) small droplets have their velocity conditioned by size so they coalesce when having different sizes, (3) bigger droplets have an inertial behavior and may cross each other’s trajectory, and (4) all droplets interact in a two-way coupled manner with the carrier phase. As an alternative to Lagrangian approaches, some Eulerian models can describe the disperse phase at a moderate cost, with an easy coupling to the carrier phase and with massively parallel codes: they are well-suited for industrial computations. The Multi- Fluid model allows the detailed description of polydispersity, size/velocity correlations and coalescence by separately solving “fluids” of size-sorted droplets, the so-called sections. In the present work, we assess an ensemble of models and we develop a numerical strategy to perform industrial computations of solid rocket motor flows. (1) The physics of nanoparticles is assessed and included in a polydisperse coalescing model. High order moment methods are then developed: (2) a Two-Size moment method is ex- tended to coalescence to treat accurately the physics of polydispersity and coalescence and the related numerical developments allow to perform applicative computations in the industrial code CEDRE; (3) a second order velocity moment method is developed, together with a second order transport scheme, to evaluate a strategy for a moderately inertial disperse phase, and academic validations are performed on complex flow fields; (4) a time integration strategy is developed and implemented in CEDRE to treat efficiently two-way coupling, in unsteady polydisperse cases including very small particles. The developments are carefully validated, either through purposely derived analytical formulae (for coalescence and two-way acoustic coupling), through numerical cross-comparisons (for coalescence with a Point-Particle DNS, for applicative cases featuring coalescence and two-way coupling with a Lagrangian method), or through available experimental results (for coalescence with an academic experiment, for the overall physics with a sub-scale motor firing). The whole strategy allows to perform applicative computations in a cost effective way. In particular, a solid rocket motor with nanoparticles is computed as a feasibility case and to guide the research effort on motors with nanoparticle fuel propellants.