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Etude numérique des instabilités de combustion à haute fréquence dans les moteurs cryotechniques: vers une prise en compte des phénomènes non linéaires

Description

En 2020, le premier lancement du lanceur Ariane 6 marquera le terme de son développement. Cet évènement annonce déjà de nouvelles pistes pour les travaux de R&D qui prépareront les futurs lanceurs. En particulier, le développement du moteur Prometheus offre de nouvelles opportunités et de nouveaux challenges technologiques. Parmi ceux-ci, l'utilisation du couple d'ergols LOx/CH4 qui présente de nombreux atouts, mais tout autant de points ouverts concernant son application aux moteurs fusées. La recherche de coûts de développement et de fabrication toujours plus réduits, ainsi que la réduction de la durée des cycles entre le développement et la mise sur le marché constituent d'autres challenges tout aussi importants.

Les phénomènes d'instabilités dans les moteurs fusées sont complexes et encore aujourd'hui mal compris. Leur modélisation en devient d'autant plus complexe. La nécessité de réduire la durée des cycles de developpement et le nombre d'essais avant la mise en production d'un nouveau moteur incitent à développer des modèles réduits permettant de prédire la stabilité des moteurs dans l'ensemble de ses domaines de fonctionnement. Le développement de ces modèles est en soi un véritable challenge quand on sait que les instabilités de combustion peuvent impliquer différentes échelles spatiales et temporelles [1] : à l'échelle macroscopique des interactions entre la chambre de combustion, les injecteurs et les cavités d'alimentation, et à l'échelle microscopique des interactions entre des phénomènes hydrodynamiques et la combustion et pour finir des interactions entre ces 2 échelles.

Les travaux de modélisation réduite effectués lors de précédentes thèses sont basés sur une approche linéaire à partir d'une équation d'Helmholtz [2]. Cette approche inclut un terme source et un terme d'amortissement, mais ne permet pas pour l'instant l'interaction entre ces termes pour tendre vers une modélisation des effets non linéaires.

Les objectifs proposés pour cette thèse sont dans un premier temps de travailler sur l'approche linéaire avec la modélisation de l'amortissement dans la continuité des précédents travaux [2]. Une prise en main du code industriel STAHF sera nécessaire pour y intégrer les derniers modèles établis.

Dans un second temps, les travaux se concentreront sur l'approche non linéaire et les transitions des régimes linéaires aux cycles limites [3]. La validation de ces modèles sera réalisée de manière progressive sur des cas-tests élementaires puis de complexité croissante, jusqu'à des cas-tests représentatifs d'organes de combustion de moteurs-fusées.

[1] Hakim, L., Ruiz, A., Schmitt, T., Boileau, M., Staffelbach, G., Ducruix, S., Cuenot, B. and Candel, S. (2015). Large eddy simulations of multiple transcritical coaxial flames submitted to a high-frequency transverse acoustic modulation. Proceedings of the Combustion Institute, 35(2)

[2] Gonzalez-Flesca, M., Méry, Y., Scouflaire, P., Schmitt, T., Ducruix, S. and Candel, S. Reduced order modeling of combustion instabilities in liquid rocket engines (2018). AIAA J. (on line)

[3] Méry, Y., Scouflaire, P., Schmitt, T., Ducruix, S. and Candel, S. Injection coupling with high amplitude transverse modes : experimentation and simulation (2009). Comptes Rendus Mécanique, 337(6-7)

Profil

Master 2

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : Laboratoire EM2C
Directeur(rice) de thèse/recherche : DUCRUIX Sébastien
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : sebastien.ducruix@centralesupelec.fr
Responsable Cnes de l'offre : THERON Marie

Pour postuler à cette offre, nous vous invitons à vous rapprocher du directeur/rice de thèse et compléter avec son aide la partie cofinancement  du formulaire en ligne (Répondre à l’offre)  pour le 1er avril 2019.

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