Transfert radiatif dans des chambres de combustion de propulseurs à propergol solide aluminisé

Radiative transfer in combustion chamber of aluminised solid propellant rocket engines

• Auteur / Autrice : Rodolphe Duval
• Direction : Anouar Soufiani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence

Écoulement diphasique

Propergols solides

Modèles mathématiques

Transfert radiatif

Mots clés libres

Propergol solide

Alumine

Théorie de Mie

Polarisation

Transferts radiatifs

Turbulence

Ecoulement diphasique

Couplage

Résumé

Les transferts radiatifs dans des propulseurs à propergol solide aluminisé ont été étudiés afin d'évaluer les flux radiatifs entre les produits de combustion du propergol en écoulement diphasique et les parois. Une première étape a consisté à caractériser radiativement le milieu. La détermination des propriétés radiatives des espèces gazeuses s'est effectuée à partir d'un modèle statistique à bandes étroites. Quant à la caractérisation radiative des particules d'aluminium oxydées, leurs propriétés ont été déterminées à l'aide de la théorie de Mie et de leurs caractéristiques optiques et granulométriques. La deuxième étape de cette étude correspond à la modélisation du couplage entre le rayonnement et l'écoulement diphasique. Un modèle de transfert radiatif, localement monodimensonnel, tenant compte des fluctuations turbulentes de température et des déséquilibres thermiques entre les constituants du milieu est développé. Afin d'évaluer les grandeurs liées à la phase condensée, un modèle lagrangien de trajectoires prenant en compte les effets de turbulence en terme de dispersion particulaire ainsi que les échanges radiatifs entre les constituants du milieu est mis en oeuvre. Pour disposer des champs aérothermiques turbulents de l'écoulement gazeux, un modèle bas Reynolds à quatre équations supplémentaires est utilisé. Différents types de couplage entre l'écoulement et le rayonnement sont considérés. L'ensemble de ces modèles est appliqué à deux configurations du moteur MPS-P230. Dans l'ensemble arrière a été mis en évidence un blocage par les zones froides de la couche limite du rayonnement en provenance de zones externes plus chaudes, avec un rôle important pour les petites particules. Dans la zone col-divergent, la rétroaction de la phase dispersée sur la phase continue est prépondérante au niveau des couplages. Quant à la turbulence thermique, il est montré qu'elle peut affecter sensiblement le flux radiatif lorsque l'intensité de turbulence est élevée

Radiative transfer in combustion chamber of aluminised soli propellant rocket engines is investigated. A first step consisted on the determination of the radiative properties of gases such as H2O, CO2, CO and HC1. They are computed from a random statistical narrow-band model. For radiative properties of alumine produced during propellant burning, Mie theory is used with optical and granulometric characteristics. The second step concerns the modelling of interaction between radiation and two-phase flow. A radiative transfer model, locally one dimensional included temperature fluctuations and thermal non equilibrium between each component of the medium is developed. A lagrangian stochastic model taken into account turbulence effects and radiative source term in the heat-balance equation is used to determinate the alumine particles flow fields. A near-wall turbulence model is used to solve flow equations in a couped manner with the energy equation. Two types of configurations are studied for interaction between radiation and two-phase flow. In the rear area, radiation coming from external flow is blocked by cold zone of the boundary layer. It is shown that small particles paly a significant part in this process. In nozzle throat-divergent area, the interaction between dispersed and continue phases is found to be the most significant one. The effects of the thermal turbulence are all the more significant that thermal turbulence intensity is high.