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Modélisation et réduction de la cinétique chimique Lox-méthane

Description

A ce jour, plusieurs acteurs du secteur spatial international se tournent vers le méthane comme solution pour les futurs moteurs réutilisables. Or, les conditions de fonctionnement des organes de combustion de ces futurs moteurs sont très particulières (ie. haute pression et large gamme de rapport de mélange pour couvrir le fonctionnement des générateurs de gaz et des chambres de combustion), il existe donc une méconnaissance de la cinétique de l’oxycombustion du méthane dans ces conditions. Le projet actuel de développement du moteurs européen PROMETHEUS de poussée réglable, basé sur la combustion O2-CH4, fait du développement de schémas cinétiques adaptés pour le traitement de l'oxycombustion du méthane à haute pression un sujet prioritaire.

Les objectifs principaux de cette thèse sont, d'une part, le développement d'un schéma cinétique détaillé pour l’oxycombustion du méthane à haute pression, et d'autre part la réduction de ce schéma (par exemple via l’utilisation de la méthode Analytically Reduced Chemistry (ARC), ou via une autre méthode à développer) pour rendre possible son utilisation dans des calculs CFD de combustion complexes. Cette activité permettra de valider des méthodes CFD appliquées à des chambres de combustion ou des générateurs de gaz en utilisant comme cas-tests de validation des essais élémentaires réalisés sur la banc MASCOTTE (ONERA) au profit du projet PROMETHEUS.

Les résultats de cette thèse pourront être implémentés dans les outils en cours de développement tels que le code AVBP du CERFACS, pour le traitement de l’interaction entre la chimie, la thermique, la turbulence et autres phénomènes physiques dont le couplage et les conditions dans lesquelles ils sont appliqués rendent extrêmement complexe l’étude de la combustion dans les moteurs de fusée.

Dans l'objectif de valider un mécanisme cinétique détaillé pour la combustion du méthane dans le dioxygène, qui soit robuste dans des conditions proches de celles rencontrées dans les moteurs de fusée, des mesures de température de flamme, de vitesse de flamme et de profils d’espèces seront réalisées en réacteur auto-agité par jets gazeux dans des conditions thermodynamiques extrêmes. La validation du mécanisme cinétique se fera sur la base de ces nouveaux résultats expérimentaux, ainsi que sur des délais d’auto-inflammation disponibles dans la littérature. Dans un premier temps, les mécanismes les plus récents de la littérature seront confrontés à ces résultats expérimentaux. Après avoir sélectionné le mécanisme le plus adapté aux conditions étudiées, une étape d’amélioration sera engagée sur la base d’études de voies réactionnelles et d’analyses de sensibilité. Une fois le mécanisme validé sur l’ensemble des données expérimentales, il pourra être réduit afin d’être utilisé dans un code CFD.

Le travail numérique sera réalisé en utilisant le code open source CANTERA avec les modifications réalisées par le CERFACS pour l'implémentation de la méthodologie ARC de réduction de schémas numériques, voire avec d'autres techniques de réduction de schémas si nécessaire. Des études de CFD élémentaires LES basées sur des cas-tests mono-injecteur MASCOTTE en conditions Générateur de Gaz pourront être envisagées avec le code AVBP pour la validation du schéma. Une application à des cas-tests dans des conditions de fonctionnement de chambre de combustion pourront également être envisagés.

Profil

Ingénieur(e) niveau Master 2 ou équivalent avec spécialisation en chimie, mécanique de fluides et/ou milieux réactifs

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : CERFACS / ICARE
Directeur(rice) de thèse/recherche : Fabien Halter
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : fabien.halter@cnrs-orleans.fr
Responsable Cnes de l'offre : MARTIN BENITO Miguel

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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