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Modélisation multi-échelles de l’atomisation par des approches bi-fluides à interface diffuse pour la simulation de la dynamique des écoulements subcritiques dans les moteurs-fusées à ergols liquides.

Description

Les futurs moteurs-fusées des lanceurs européens sont développés avec l’objectif d’augmenter leur fiabilité et de diminuer leur coût. Pour cela, il est nécessaire de mieux comprendre les phénomènes physiques complexes qui régissent leur fonctionnement. Cela permet d’une part d’estimer au mieux les marges de conception, qui conditionnent le coût et la fiabilité du moteur. D’autre part, une meilleure modélisation de la physique permet d’augmenter la précision de la simulation numérique et de l’utiliser davantage dans les phases de conception.

Dans le cas des moteurs-fusées à ergols liquides, le phénomène d’instabilités de combustion de haute fréquence est particulièrement complexe et critique pour le fonctionnement du moteur. En collaboration avec le CNES, des travaux de recherche sur ce phénomène sont menés à l’Onera dans le cas de conditions d’injection subcritique. Dans ce cas, l’oxygène est injecté sous forme liquide dans la chambre de combustion et subit une succession de phénomènes : atomisation du jet dense, fragmentation des ligaments liquides, évaporation des gouttelettes, combustion turbulente. Les instabilités de combustion résultent d’un couplage fort entre tous ces phénomènes. Pour mieux les comprendre, on cherche à les reproduire par la simulation numérique grâce à la plateforme de simulation multiphysique CEDRE développée à l’Onera. Un effort particulier est porté sur la description de l’écoulement diphasique qui implique de forts gradients de densité et  une large gamme d’échelles caractéristiques. L’Onera a développé dans le code CEDRE une stratégie qui adapte la modélisation en fonction de la taille des structures liquides et celle du maillage utilisé pour les discrétiser [Gaillard et al., http://urlz.fr/7S1R] [Boucher et al., EUCASS 2017]. Un modèle d’atomisation permet la transition de la description adaptée à la zone où le maillage est suffisamment fin pour discrétiser l’interface liquide-gaz à celle adaptée au cas où les gouttes de liquide sont trop petites pour être suivies de façon unitaire par la simulation.

 

Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est d’introduire une modélisation dynamique de l’atomisation, qui prend en compte l’état local de plissement de l’interface liquide-gaz. En effet, la modélisation existante est indépendante de la topologie de l’interface et paraît insuffisante pour reproduire fidèlement la fragmentation de l’oxygène liquide sous l’effet d’instabilités de combustion. La nouvelle modélisation sera basée sur le transport de la densité d’aire interfaciale [Chesnel et al., Atom. & Sprays 21, 2011] et sur les fermetures associées valables pour les applications d’atomisation assistée de jet liquide, en cours de développement.

Les travaux comporteront deux phases. La première consistera à s’assurer que les fermetures utilisées permettent d’obtenir un champ réaliste de densité d’aire interfaciale. Pour cela, il sera particulièrement instructif de comparer les modèles disponibles à des résultats de simulation numérique directe (DNS) (tels que [Duret et al., Int. J. Multiphase Flow 55, 2013] et [Demoulin et al., Atom. & Sprays 23, 2013]) pour adapter la modélisation au régime spécifique rencontré dans les moteurs-fusées (atomisation d’oxygène liquide à haut Weber et haut rapport de quantités de mouvement).

A l’issue de cette première phase, on utilisera la densité d’aire interfaciale pour formuler une modélisation de l’atomisation tenant compte des propriétés locales de l’écoulement. Il s’agit de quantifier le terme source de masse lié à l’atomisation ainsi que les propriétés des gouttes résultantes. La connaissance de l’aire interfaciale Σ en phases séparées doit permettre de mieux décrire le spray de gouttes lors du passage en phase dispersée. Une étape de validation consistera à appliquer les modèles développés à une simulation de jet coaxial avec l’objectif de restituer les caractéristiques du spray de gouttes résultant de la déstabilisation du jet d’oxygène liquide. L’Onera dispose pour cela d’une base de données expérimentales de granulométrie d’oxygène liquide dans des conditions inertes [Fdida et al., EUCASS 2017] et réactives.

 

Ces travaux contribueront à apporter des éléments de réponse aux problématiques actuelles de la recherche dans ce domaine, notamment sur le niveau de précision de l’approche à interface diffuse pour traiter ce type d’écoulement, et sur la manière de décrire un milieu à deux phases à l’échelle de sous-maille. Cette thèse fait partie intégrante de la démarche de recherche partagée par le CNES et l’ONERA sur la simulation des instabilités de combustion de haute fréquence.

Profil

Grandes écoles et/ou Master 2 recherche

Formation à dominante mécanique des fluides / énergétique (atomisation, combustion, acoustique)

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : ONERA MFE/DMPE
Directeur(rice) de thèse/recherche : Demoulin François-Xavier
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : demoulin@coria.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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