Simulations et analyses de stabilité linéaire du détachement tourbillonnaire d'angle dans les moteurs à propergol solide

Simulations and linear stability analysis of corner vortex shedding in solid rocket motors

• Auteur / Autrice : Laura Lacassagne
• Direction : Bénédicte Cuenot, Eleonore Riber
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 21/04/2017
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique (Toulouse)
• Jury : Président / Présidente : Grégoire Casalis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bénédicte Cuenot, Jérôme Anthoine, Lutz Lesshafft
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Plourde, Franck Richecœur

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique des fluides

Tourbillons (mécanique des fluides)

Propergols solides

Simulation par ordinateur

Mots clés libres

Détachement tourbillonnaire d'angle

Moteur à propergol solde

Simulations numériques

Stabilité linéaire

Particules d'aluminium

Corner vortex shedding

Solid rocket motors

Numerical simulations

Linear stability

Aluminum particles

Résumé

Les oscillations de pression sont un enjeu majeur dans le design des moteurs à propergol solide car de faibles oscillations de pression (ODP) dans la chambre entraînent de fortes oscillations de poussée ce qui conduit à des vibrations néfastes pour les structures et les satellites embarqués. Les ODP sont encore aujourd'hui un vaste sujet de recherche et la simulation numérique est un outil indispensable dans leur analyse. De nombreux travaux ont permis de mettre en évidence divers mécanismes générateurs d'oscillations, mais la conception des nouveaux moteurs favorise la formation d'une instabilité hydrodynamique, appelée VSA et caractérisée par des détachements tourbillonnaire au niveau des discontinuités de la surface débitante. Etudiée dans les travaux sur le C1x [Vuillot 1995, Dupays 1996], il reste cependant divers points à aborder afin d'avoir une vision complète des mécanismes qui pilotent et modifient cette instabilité. Pour cela, il a été choisi dans ces travaux d'isoler le VSA dans une configuration académique et d'étudier dans un premier temps, l'impact du soufflage latéral, généré par un dégagement gazeux du à la combustion d'un bloc de propergol en aval de l'angle. Les deux approches utilisées, à savoir la simulation numérique et la stabilité linéaire, démontrent que le soufflage latéral possède un fort effet stabilisant sur le VSA. Dans un deuxième temps, l'impact de la combustion des particules d'aluminium et des résidus, présents dans un moteur à propergol solide, est analysé. Ces travaux montrent que les particules, via des mécanismes complexes, peuvent jouer à la fois un rôle stabilisant et déstabilisant sur le VSA. Pour finir, l'impact de la mise à l'échelle sur l'instabilité est étudié. Si en gaz seul, les résultats obtenus à échelle réduite sont directement transposables vers l'échelle réelle, la mise à l'échelle modifie le comportement des particules dans les structures tourbillonnaires et donc leur rôle sur l'instabilité.

Pressure oscillations (ODP) are a major issue in solid rocket motor design, as very small pressure oscillations induce strong thrust oscillations, involving vibrations detrimental to carrying load. ODP are still a vast and intense domain of research and the improvement of rocket motors mainly resorts to advanced numerical simulations. Extensive research have enabled to characterize several sources of instabilities, but new motor design promotes one hydrodynamic instability, called VSA and characterized by vortex shedding at geometry angles. VSA has be studied in the C1x configuration [Vuillot 1995, Dupays 1996] but several points still need to be studied in order to have a complete view of the phenomena driving and impacting this instability in a solid rocket motor flow. In this work, the VSA is isolated in an academic configuration and, in a first part, the impact of lateral blowing is studied. This blowing, never analysed so far, is due to burnt gases coming from the combustion of propellant block after the angle. This study has been performed following two approaches, numerical simulations and linear stability analysis. Both demonstrate the strong stabilizing effect of the lateral blowing. In a second part, the impact of aluminium particles combustion including the presence of residual particles, found in solid rocker motors, is analysed. This work shows that due to complex interaction mechanisms, particles can have a stabilizing or a destabilizing impact on the instability. Finally, the scaling impact is studied with and without particles. In purely gaseous configuration, the results obtained at reduced scale can be used directly at real scale as all the characteristics of the instability are preserved. However, with particles, the scaling modifies the particles behaviour and then the particles impact on the VSA.