Étude numérique du fonctionnement d’un moteur à détonation rotative

Numerical study of the rotating detonation engine operation

• Auteur / Autrice : Thomas Gaillard
• Direction : Francis Dupoirieux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Combustion
• Date : Soutenance le 23/03/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ONERA - The French Aerospace Lab / Palaiseau
• Jury : Président / Présidente : Marc Bellenoue
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dmitry Davidenko, Benoît Fiorina, Marie Théron
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Vidal, Claude-Etienne Paillard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propulsion par réaction

Turbulence

Simulation par ordinateur

Mots clés libres

Détonation rotative

Simulation numérique

Mélange turbulent

Injection gazeuse

Code CEDRE

Rotating detonation

Numerical simulation

Turbulent mixing

Gaseous injection

CEDRE code

Résumé

Cette thèse s’inscrit dans le domaine de la simulation numérique appliquée à la propulsion. Le moteur à détonation rotative (RDE) fait partie des candidats susceptibles de remplacer nos actuels moyens de propulsion grâce à l’augmentation du rendement thermodynamique du moteur. Pour conserver l’avantage de la détonation, l’injecteur doit fournir un mélange dont la qualité doit être la meilleure possible tout en limitant les pertes de pression totale. La présente étude porte sur le développement et l’optimisation numérique d’un injecteur adapté au fonctionnement d’un RDE. L’injection d’hydrogène et d’oxygène gazeux en rapport stoechiométrique est considérée pour une utilisation en propulsion fusée. Le premier objectif est de proposer un concept réaliste d’injecteur permettant de maximiser le mélange des ergols. Le second objectif est de réaliser des études du mélange dans la chambre par des simulations LES (Large Eddy Simulation). Le troisième objectif est de simuler la propagation d’une détonation rotative (RD) alimentée par différents injecteurs en régimes prémélangé et séparé. Deux éléments d’injection sont mis en concurrence. Le premier utilise le principe de jets semi-impactants de H2 et de O2. Le deuxième représente une configuration améliorée. Les simulations de RD avec les deux injecteurs donnent des résultats similaires lorsque l’injection est prémélangée. La part du mélange injecté perdu par déflagration est de 30% et la vitesse de propagation de la RD est proche de la vitesse théorique CJ. Pour les injections séparées de H2 et O2, l’injecteur amélioré permet de conserver un bon niveau de mélange dans la chambre, contrairement à l’injecteur à semi-impact qui produit une forte stratification des ergols dans la chambre. En conséquence, la vitesse de propagation de la RD est proche de la vitesse CJ avec l’injecteur amélioré et limitée à 80% de la vitesse CJ avec l’injecteur à semi-impact.

This thesis pertains to the domain of numerical simulation for propulsion applications. The rotating detonation engine (RDE) appears to be a good candidate to replace our current means of propulsion thanks to the increase of the thermodynamic efficiency. To preserve the advantage given by the detonation mode, the injector must provide the best possible mixing of the propellants together with acceptable total pressure losses. This numerical study deals with developing and optimizing an injector adapted to the operation of a RDE. Injection of gaseous H2 and O2 at stoichiometric ratio is considered to be suitable for rocket propulsion application. The first goal is to propose an efficient injector design so that the mixing between the propellants is maximized. The second goal is to perform simulations of the mixing process in the chamber by LES (Large Eddy Simulation) computations. The third goal consists in computing the propagation of a rotating detonation (RD) fed by different injectors in premixed and separate regimes. This study allows the comparison of two injection elements. The first one uses the principle of semi-impinging jets of H2 and O2. The second one represents an improved configuration. RD simulations with both injectors provide similar results when premixed injection is considered. The part of the injected mixture that burns by deflagration is 30% and the detonation velocity remains close the theoretical CJ velocity. In the regime of separate injection of H2 and O2, the improved injector enables to keep a high mixing efficiency in the chamber whereas the semi-impingement injector produces a strong stratification of the propellants in the chamber. As a consequence, the detonation velocity is close to the CJ velocity with the improved injector and limited to 80% of the CJ velocity with the semi-impingement injector.