Modélisation de l'allumage d'une flamme de diffusion turbulente : application aux moteurs-fusées cryotechniques

Modelling of turbulent diffusion flame ignition : application to cryogenic rocket engines

• Auteur / Autrice : Florian Fichot
• Direction : Denis Veynante
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance en 1994
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Allumage

Moteurs-fusées

Résumé

Cette thèse porte sur la modélisation et la simulation numérique de l'allumage d'une flamme de diffusion turbulente. Les applications à l'allumage des moteurs-fusées cryotechniques sont plus particulièrement considérées. Le montage expérimental servant aux validations simule un fond de chambre du moteur Vulcain avec trois injecteurs coaxiaux. On présente les principaux résultats concernant l'allumage obtenus sur celui-ci, en particulier des séquences d'allumage obtenues par imagerie d'émission OH, ainsi que diverses mesures expérimentales qui ont servi de support et de fil directeur à la modélisation. L'allumage étant obtenu par une bougie, on ne se préoccupe pas de la phase qui précède l'apparition du front de flamme initial. On s'intéresse plus spécifiquement à la propagation du front de flamme à travers un milieu hétérogène ou des flammes de diffusion et de prémélange peuvent coexister. On s'intéresse également à la stabilisation de la flamme de diffusion. Apres un bref rappel des équations classiques de l'aérothermochimie, on présente les différents régimes de combustion turbulente. Parmi ceux-ci, le régime des flammes plissées ou flammelettes est celui auquel on s'intéresse dans toute cette thèse. Les modèles développés ici reposent sur une équation de transport pour la densité de surface de flamme. Bien qu'on puisse établir une forme exacte de cette équation pour une surface matérielle, plusieurs termes nécessitent une fermeture lorsque l'on considère une flamme et que l'on doit moyenner l'équation. Chacun de ces termes est explicité et éventuellement modélisé. La modélisation des flammes de diffusion turbulentes est ensuite traitée. Une étude dans une configuration très simple permet d'estimer l'influence des principaux paramètres du modèle. On montre également les améliorations apportées, en particulier la prise en compte d'un étirement efficace agissant sur les flammelettes. Des comparaisons avec des mesures de densité de surface de flamme sont faites. Pour les flammes de prémélange, une étude assez détaillée de la capacité du modèle à représenter la propagation d'une flamme turbulente est faite. Elle est accompagnée d'une étude paramétrique et de comparaisons avec les modèles existant déjà. Des améliorations sont envisagées. Des modèles permettant de prendre en compte la présence simultanée de flammes de prémélange et de diffusion sont ensuite présentés. Des tests et validations numériques sont faits pour les différents modèles. Des calculs complets d'allumage sont présentés et comparés avec les images expérimentales. La comparaison est très satisfaisante. Enfin, pour se rapprocher des conditions de fonctionnement d'un moteur fusée cryotechnique, la présence d'une phase liquide, sous forme de gouttes, est abordée. Pour cela on étudie deux problèmes simples: la combustion de gouttes dans un tourbillon et l'évaporation de gouttes dans une zone de mélange. Les modèles développés permettent de rendre compte de la complexité accrue qu'implique la présence des gouttes