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Modélisation et simulation numérique de la réponse en combustion d’un propergol solide

Description

Dans le cadre du développement de l’accélérateur à propergol solide pour le lanceur Ariane 6, la problématique des instabilités dans la chambre du moteur reste un objectif majeur sur lequel se concentre aujourd’hui un effort de recherche important. L’enjeu étant de réduire, voire d’éliminer, les Oscillations De Pression (ODP) pouvant être générées dans le moteur lors de son fonctionnement.

Pour cela, il est nécessaire de progresser sur la compréhension des phénomènes physiques à l’origine des ODP mais aussi sur leur modélisation afin de pouvoir mettre en œuvre des simulations numériques du fonctionnement du moteur lors des phases de conception et de pouvoir ainsi réduire le nombre d’essais de qualification.

Les travaux de recherche menés sur les ODP depuis plusieurs années, dans le cadre d’un projet commun avec le CNES, l’ONERA et ArianeGroup, ont permis d’identifier et de caractériser les sources potentielles d’instabilités dans un moteur à propergol solide. Celles-ci peuvent être d’origine hydrodynamique et/ou liées à la combustion. Sur la base de cette expérience, il est possible maintenant de concevoir des moteurs stables vis-à-vis des instabilités hydrodynamiques. Dans ce contexte, les instabilités de combustion peuvent devenir prépondérantes [1].

Dans l’état actuel de nos connaissances, les instabilités de combustion peuvent être de deux natures différentes. La première concerne l’Instabilité THermoACoustique (ITHAC). Elle provient d’un couplage entre l’acoustique et la combustion des particules d’aluminium présentes dans la chambre du moteur. Celle-ci a bien été investiguée dans le cadre du projet mentionné. La deuxième est liée à la combustion du propergol et de son interaction avec l’écoulement dans le moteur. Elle a fait l’objet de nombreux travaux dans les années 1980/1990 en utilisant notamment des approches linéaires pour caractériser le couplage (la réponse) entre la fluctuation de pression régnant dans le moteur et la combustion du propergol. Ces deux sources d’instabilités de combustion peuvent éventuellement se coupler en fonction des caractéristiques de l’écoulement réactif dans le moteur. Par ailleurs, l’approche linéaire pour la réponse en pression peut sembler limitée par rapport aux phénomènes observés expérimentalement lors d’un essai ayant donné des fluctuations de pression de plusieurs bars avec un spectre riche en fréquences.

L’objectif des travaux de thèse vise à reprendre, dans le contexte d’une interaction de la réponse en combustion d’un propergol solide avec l’ITHAC, l’étude de cette réponse dans le but d’améliorer la compréhension actuelle qui repose sur des approches anciennes. Le travail de recherche permettra d’explorer les phénomènes physiques, comme l’interaction entre la combustion distribuée de l’aluminium et la réponse non linéaire en pression du propergol, à l’origine des instabilités de combustion dans les moteurs à propergol solide.

Parallèlement à la thèse, l’ONERA a prévu de développer un nouveau moyen d’essai pour caractériser la réponse en pression des propergols. Ce moyen d’essai, qui sera opérationnel au second semestre 2020, permettra d’acquérir les données d’entrée nécessaires à une meilleure prise en compte du comportement du propergol dans la modélisation du phénomène ITHAC, en cas d’interaction entre ce phénomène et la réponse non linéaire en pression du propergol.

L’approche scientifique des travaux de thèse consistera à analyser les résultats de ces expériences dédiées à l’étude de la réponse des propergols et des résultats d’essais en moteur, à l’aide d’outils de simulation modernes qui seront améliorés en début de thèse.

Une première partie de la thèse se déroulera au Centre de Palaiseau de l'ONERA et sera consacrée à la modélisation et aux simulations du phénomène multi-physique. Pour ce qui concerne la simulation de la combustion d’un propergol, il sera utilisé un outil, développé à l’ONERA [2], permettant de représenter la combustion instationnaire d’un matériau énergétique en tenant compte de sa microstructure. L’étude de l’écoulement instationnaire dans le moteur sera menée à l’aide d’un outil de simulation multi-physique, développé aussi à l’ONERA [3], permettant notamment de résoudre une physique complexe avec plusieurs solveurs dédiés.

Durant la seconde partie de la thèse, le thésard sera accueilli au Centre du Fauga-Mauzac de l’ONERA pour participer à la campagne d'essais. Il aura la charge de définir et d'exploiter les essais réalisés sur les montages expérimentaux en parallèle des simulations numériques qu'il continuera de mener pour améliorer la compréhension des phénomènes physiques.

Références :

[1] 3ème journées scientifiques sur les Oscillations De Pression, 13 et 14 juin 2017, Vaux de Cernay.

[2] D. Davidenko et al. “Some aspects of detailed modeling of solid rocket composite propellants”, 6th European Conference for Aeronautics and Space Sciences (EUCASS), 2015.

[3] A. Refloch, B. Courbet, A. Murrone, P. Villedieu, C. Laurent, P. Gilbank, J. Troyes, L. Tessé, G. Chaineray, J.B. Dargaud, E. Quémerais, F. Vuillot - CEDRE Software . Aerospace Lab, vol. 2, 2011.

Profil

Grandes écoles et/ou Master 2 recherche

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

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : ONERA DMPE
Directeur(rice) de thèse/recherche : ANTHOINE Jérôme
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : jerome.anthoine@onera.fr
Responsable Cnes de l'offre : PICHILLOU Julien

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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