Modélisation et simulation du phénomène de cavitation au sein des turbopompes spatiales

Modeling and simulation of the cavitation phenomenon in space engine turbopumps

• Auteur / Autrice : Joris Cazé
• Direction : Eric Daniel, Fabien Guy Francis Petitpas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécanique et physique des fluides
• Date : Soutenance le 03/11/2022
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut universitaire des systèmes thermiques industriels (IUSTI) (Marseille) - Centre national d'études spatiales (France)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Pouliquen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marica Pelanti, Sébastien Le Martelot, Matthieu Queguineur
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Perrier, Éric Goncalves

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Modèles mathématiques

Moteurs-fusées

Cavitation

Écoulement diphasique

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Méthode des interfaces diffuses

Écoulement diphasique compressible

Cavitation

Changement de phase

Turbopompe

Inducteur

Diffuse-Interface method

Two-phase compressible flows

Cavitation

Phase-change

Turbopump

Inducer

Résumé

Les moteurs-fusées à propergol liquide fournissent un effet propulsif grâce à l'éjection de gaz à haute température et pression dans une tuyère. Ces gaz sont issus de la combustion du propergol situé dans les réservoirs. L'acheminement de ces fluides cryogéniques des réservoirs jusqu'à la chambre de combustion est réalisé à l'aide de turbopompes. Lors du trajet du fluide, sa pression locale peut chuter brutalement sous l’effet de l'aspiration de la pompe. Lorsque la pression de saturation est atteinte, des bulles de vapeur et des poches de cavitation peuvent apparaître : c'est le phénomène de cavitation. Ces structures, en traversant les pales, peuvent provoquer une survitesse temporaire de la pompe, un blocage de l'écoulement ainsi que diverses instabilités mécaniques. Afin de mieux comprendre ce phénomène et de limiter son impact, ce travail de thèse vise à proposé une modélisation numérique de ce type d'écoulement. La formation de vapeur lors de la cavitation nécessite, à la fois, de prendre en compte l'aspect diphasique de l'écoulement et la compressibilité des phases. La famille des modèles d'écoulement diphasique à interfaces diffuses répond parfaitement à ces besoins et a été utilisée avec succès dans le passé pour modéliser des écoulements cavitants. Pour prendre en compte la rotation des pales, le modèle d'écoulement a été écrit dans un référentiel en rotation en utilisant la méthode Moving Reference Frame. Sur la base de premiers résultats encourageants sur un inducteur factice, l'étude des performances d'un inducteur de turbopompe à eau est réalisée en régime cavitant et est comparée aux données expérimentales correspondantes

Liquid propellant rocket engines provide propulsive effect by ejecting gases at high temperature and pressure into a nozzle. These gases are obtained from the combustion of the propellant located in the tanks. The routing of these cryogenic fluids to the combustion chamber requires the use of turbopumps able to provide the conditions required for the combustion. As the fluid travels, its local pressure may drop abruptly as a result of the pump’s suction. When the saturation pressure is reached, vapor bubbles and cavitation pockets may appear: this is the cavitation phenomenon. These structures, when passing through the blades, can cause a temporary overspeed of the pump, a blocking of the flow as well as various mechanical instabilities. In order to better understand this phenomenon and to limit its impact, my thesis work aims to propose a numerical modeling of this type of flow. The formation of steam when cavitation is encountered requires, at the same time, to consider the two-phase aspect of the flow and the compressibility of the phases. The family of two-phase flow models with diffuse interfaces is an ideal candidate for these needs and has been successfully used in the past to model cavitating flows. The rotation of the blades must also be considered, for this purpose, the pressure-velocity equilibrium diffuse interface model has been written in a rotating reference frame using the Moving Reference Frame method. On the basis of first encouraging results on a dummy inducer supplied with liquid oxygen, the performance of a water turbopump inducer is carried out in a cavitating regime and compared to the corresponding experimental data