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Modélisation et simulation du phénomène de cavitation de fluides cryogéniques au sein de turbopompes de moteurs spatiaux.

Description

La propulsion d’engin spatiaux est assurée par la combustion d’ergols liquides cryogéniques (oxygène, hydrogène, méthane). Ces fluides sont stockés dans des réservoirs et doivent être mis en circulation jusqu’à la chambre de combustion, au moyen de turbopompes (pompes à grande vitesse) : Par exemple pour le moteur Vulcain, la vitesse de rotation de la turbopompe alimentant le moteur en hydrogène est de 33 000 tr/mn. Le stockage de ces fluides sous forme liquide est réalisé dans des réservoirs à des conditions de pression et température proches de la saturation. Leur mise en écoulement est obtenue par aspiration dans la turbopompe, qui génère une dépression en amont de cette turbopompe. La chute de pression peut amener le fluide à caviter au voisinage de l’inducteur de la pompe entraînant ainsi une baisse des performances.

Ainsi, le CNES cherche constamment à améliorer ses méthodes de prédictions et compréhensions de la cavitation dans les machines tournantes. Pour cela, un grand projet de simulation numérique a été lancé. Il comprend plusieurs volets comme le maillage, les interfaces utilisateurs, la modélisation etc.

Ce sujet de thèse se situe dans ce projet, dans la partie modélisation. L’objectif principale de ce travail de thèse est ainsi de mettre au point des modèles et des méthodes numériques et de les valider à l’aide d’un outil de simulation numérique développé dans un but de recherche. Ces modèles seront ensuite utilisés par le CNES pour améliorer leur outil principal de simulation.

De ce fait, le but du travail de thèse proposée est la compréhension du phénomène de cavitation en termes de détermination des quantités de liquide vaporisés aussi bien que de la forme des poches, leurs dynamiques, et ce par des moyens de simulations numériques. Il s’agira donc ici de simuler des écoulements instationnaires compressibles multiphasiques au sein de machines tournantes. D’autres points plus spécifiques comme le problème des joints dynamiques tournants pourront aussi être simulés par cette même approche.

La modélisation et la simulation numérique de ces écoulements multiphasiques nécessitent la prise en compte de nombreux effets : la compressibilité des fluides, les transferts de chaleurs et de masse (vaporisation, condensation) - le tout au sein de géométries plus ou moins complexes (conduites, singularités, turbomachines). La physique des fluides cryogéniques elle-même apporte aussi beaucoup d’interrogations. Par exemple, quelle loi d’état utiliser pour représenter correctement ces fluides dans le domaine supercritique aussi bien que lors d’un changement de phase. Cette physique devra être modélisée correctement pour assurer des propriétés essentielles aux modèles mathématiques telles que les propriétés de conservation de masse, quantité de mouvement et d’énergie, l'hyperbolicité pour assurer une propagation des ondes correcte ou encore la garantie du respect des conditions d’interfaces entre gaz et liquides.

Des modèles mathématiques traitant les écoulements multiphasiques et la vaporisation dans de telles situations existent à l’IUSTI ([1], [2] et [3]). Le laboratoire dispose également de l’outil openSource ECOGEN qui permet la résolution de tels écoulements [4].

Cette thèse s’effectuera dans un contexte de développements de modèles, d’algorithmes et de code de calcul pour traiter la problématique de la cavitation au sein des turbopompes.

    • La validation de la prise en compte de géométries tournantes sera d’abord abordée dès le début de thèse pour vérifier l’aptitude au traitement des conditions d’écoulements associés aux problématiques turbopompes du CNES.

    • Des lois d'états complexes seront implantées : ces lois seront analytiques ou tabulées.

    • Les algorithmes correspondants seront intégralement développés et introduits dans l’outil ECOGEN de sorte à pouvoir se focaliser sur les choix de modélisation.

    • Des améliorations seront apportées au schéma numérique notamment en testant et en implémentant des algorithmes robustes et rapides d'intégration spatio-temporels, notamment pour traiter le changement de phase et en particulier le phénomène de cavitation.

De plus, le candidat participera aussi à quelques réunions avec les développeurs du logiciel de simulation utilisé par le CNES afin de partager ses méthodes et ses modèles.

Références :

[1] R. Saurel, F. Petitpas and R.A. Berry (2009) Simple and efficient relaxation methods for interfaces separating compressible fluids, cavitating flows and shocks in multiphase mixtures. Journal of Computational Physics, vol. 228(5), pp. 1678-1712.

[2] F. Petitpas, J. Massoni, R. Saurel, E. Lapebie and L. Munier (2009) Diffuse interface model for high speed cavitating underwater systems. International Journal of Multiphase Flow, vol. 35(8), pp. 747-759.

[3] Petitpas, F., & Le Martelot, S. (2014). A discrete method to treat heat conduction in compressible two-phase flows. Computational Thermal Sciences: An International Journal6(3).

[4] Schmidmayer, K., Petitpas, F., Daniel, E., Favrie, N., & Gavrilyuk, S. (2017). A model and numerical method for compressible flows with capillary effects. Journal of Computational Physics, 334, 468-496.

Profil

Le candidat sera idéalement ingénieur mécanicien/numéricien ayant effectué un master recherche dans le domaine des fluides ou du changement de phase liquide/vapeur. A l’aise dans les différents domaines de la mécanique des fluides (essentiellement compressibles), il aura également les connaissances en simulations numériques d’écoulements monophasiques ou multiphasiques. Il devra impérativement faire preuve d’une aisance avec l’outil informatique et être sensible au développement algorithmique séquentiel et parallèle. Une bonne connaissance des langages informatiques C/C++ est un plus.

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : IUSTI UMR CNRS 7343, Marseille
Directeur(rice) de thèse/recherche : DANIEL Eric
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : eric.daniel@univ-amu.fr
Responsable Cnes de l'offre : LE MARTELOT Sébastien

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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