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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 et la simulation numérique doit permettre de mieux les comprendre. 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. Par ailleurs, une voie alternative consistant à décrire les différentes topologies au sein d’une seule formulation mathématique unifiée a également été développée dans la littérature [Cordesse et al., ICLASS 2018, Essadki et al., IJMF 2018].

Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est d’apporter les améliorations nécessaires à la simulation numérique permettant d'obtenir une description fidèle de l’écoulement de LOX atomisé dans la partie subcritique du domaine de fonctionnement des moteurs-fusées. Pour cela, les travaux de la thèse s’articuleront en quatre axes.

 Des travaux théoriques seront menés sur la formulation mathématique des systèmes considérés. On étudiera la hiérarchie des modèles bi-fluides homogénéisés, associés au transport de variables géométriques caractérisant l’interface, en cherchant à formuler des modèles bien posés sur le plan mathématique. On s’intéressera également à la répartition des effets énergétiques entre les différentes échelles de l’interface (échelles résolues et échelles de sous-maille) et à la compatibilité des équations de transport de variables géométriques dans la zone dispersée [Essadki et al., SIAM JAM 2018], ainsi qu’aux considérations liées à la thermodynamique de l’interface et du mélange diphasique.

Dans un deuxième axe, on s’attachera à développer des schémas numériques précis, robustes et efficaces pour la résolution des systèmes d’équations retenus dans le cadre de la méthode des volumes finis. Des études d’analyse numériques pourront être menées, en particulier autour de la question du traitement des termes non conservatifs.

Un troisième aspect des travaux concernera l’implémentation des systèmes développés dans la plateforme logicielle multiphysique CEDRE de l’ONERA. Le candidat devra garantir l’efficacité et la robustesse de l’implémentation, ainsi que la compatibilité de ses développements avec l’ensemble du spectre applicatif de CEDRE. Selon les motivations du candidat, celui-ci pourra également s’intéresser à des questions d’architecture logicielle et de calcul parallèle haute performance.

Le quatrième axe des travaux du doctorant sera d’abord consacré à la modélisation des termes sources non fermés, en accord avec les phénomènes physiques concernés. On s’aidera pour cela de résultats de simulations DNS, qui permettent de mieux comprendre le comportement des écoulements diphasiques atomisés [Canu et al. IJMF 2018] et de quantifier ces termes dans des cas simplifiés [Duret et al., IJMF 55]. La méthodologie numérique développée sera appliquée sur des cas de complexité croissante pour lesquels on dispose de résultats de référence (DNS, expérience), jusqu’à la simulation d’une flamme diphasique LOX/méthane en conditions d’injection subcritique, représentative des points de fonctionnement moteur. On dispose en particulier de données de granulométrie récemment acquises sur le banc MASCOTTE de l’ONERA. L’analyse des résultats de simulation et leur comparaison aux données de référence permettra d’évaluer la capacité de la stratégie à reproduire fidèlement les propriétés de l’écoulement diphasique atomisé dans ces conditions.

A l’issue de la thèse, la stratégie doit servir de socle pour analyser par la simulation numérique les couplages entre phénomènes impliqués dans l’apparition des instabilités de combustion. Ainsi, 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 : Marc MASSOT
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : marc.massot@polytechnique.edu
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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