Analyse numérique des écoulements internes au sein des moteurs à propergol solide. Vers une prise en compte des mécanismes instationnaires couplés

Numerical analysis of internal flow within the solid rocket motors. To a consideration of coupling unsteady mechanisms

• Auteur / Autrice : Phu Ho Tran
• Direction : Frédéric Plourde
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 16/12/2013
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Petit, Renato Nunes, Dominique Couton
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Bontoux, Jean-Paul Caltagirone

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthodes des frontières immergées

Interaction fluide-structure

Aérodynamique

Stabilité

Simulation par ordinateur

Propergols solides

Moteurs-fusées

Mots clés libres

Propulsion

Frontières mobiles

Propulsion

Moving boundary

Résumé

La caractérisation et la simulation des écoulements internes au sein des moteurs àpropergol solide, en considérant des mécanismes physiques fortement couplés, constituentl’objectif principal de ce mémoire de thèse. Dans cette optique, la conjonction entrefluide/régression de surface/couplage fluide structure a imposé de déployer une stratégiepropre lors du développement de la modélisation numérique. En effet, le modèle intègre untraitement de frontière immergée couplé avec un suivi de frontière mobile afin de pouvoirrendre compte de la formidable variation géométrique interne subie au cours d’un tir. Côtéfluide, un maillage automatique est nécessaire et la gestion de ce dernier s’appuie sur undéveloppement récursif avec structure hiérarchisée de type 2n tree. Une attention particulièrea été portée sur le solveur lui-même avec une approche explicite en temps et un schémanumérique basé sur l’approche de Roe avec limiteur de flux au second ordre. Des cas testsont été réalisés afin de valider le solveur et les différentes conditions aux limites introduites,notamment des conditions spécifiques développées pour les besoins de simulation. Lespremiers résultats soulignent tout l’intérêt du modèle proposé et sauf erreur de notre part,pour la première fois, l’analyse des sources tourbillonnaires responsables des instabilités ausein de ces moteurs a été étudiée en intégrant les effets du changement continu de géométrie.Finalement, la faisabilité d’une interaction forte entre solveur fluide et solveur solide a étéréalisée sur un modèle simplifié d’un moteur segmenté.L’ensemble des développements permet un accès aux mécanismes couplés complexeset aux fortes interactions au sein des moteurs à propergol solide et offre de nouvellesperspectives dans la caractérisation des mécanismes fortement couplés.

Characterization and simulation of internaI flow within the solid rocket motors, considering the physicalmechanisms strongly coupled, are the main focus of this thesis objective. In this context, the conjunctionbetween fluid/regression surface/fluid coupling structure imposed deploy c1ean during the development ofnumerical modeling strategy. Indeed, the model incorporates treatment coupled with an immersed boundarytracking moving boundary in order to realize the tremendous internai geometric variation experienced during ashot. Fluid side, an automatic mesh is required and the management of the latter is based on a recursivehierarchical structure development with type 2" tree. Particular attention was paid to the solver itself with anexplicit approach to time and a numerical scheme based on the approach of Roe with flow limiter in the secondorder. Tests cases were conducted to validate the sol ver and different boundary conditions introduced, inc1udingspecific conditions developed for the purpose of simulation. The first results emphasize the interest of theproposed and unless our error model, for the first time, the analysis of the sources responsible vortex instabilitiesin these engines has been studied by incorporating the effects of continuous change in geometry. Finally, thefeasibility of a strong interaction between fluid and solid solver was conducted on a simplified model of a multiengine.AlI the developments allows access to complex mechanisms coupled and strong interactions in solidrocket motors and off ers new insights into the characterization of strongly coupled mechanisms.