Etude expérimentale du transitoire de remplissage dans un moteur fusée en présence de transferts thermiques aux parois et du gaz de balayage

par Virginie Alleaume

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides, procédés, énergétique

Sous la direction de Francis McCluskey.

Le président du jury était Laurent Davoust.

Le jury était composé de Francis McCluskey, Jean-Philippe Matas.

Les rapporteurs étaient Sébastien Poncet, Michel Gradeck.


  • Résumé

    Dans l'objectif de maîtriser le démarrage des moteurs fusées en vol balistique, il est proposé de caractériser le transitoire de remplissage des cavités d'injection des organes de combustion. L'étude s'effectue principalement sur la cavité tampon, appelée dôme. Le comburant est maintenu sous pression en amont d'une vanne dont l'ouverture contrôle son passage vers une chambre tampon qui est liée à la chambre de combustion à travers un réseau d'injecteurs. Afin d'empêcher la remontée du carburant vers la chambre tampon, un gaz balaye la chambre de l'entrée vers les injecteurs. Cette étude expérimentale consiste à décrire la structure spatio-temporelle de l'écoulement diphasique dans la cavité tampon suite à l'ouverture de la vanne en présence de l'écoulement du gaz de balayage. Il s'agit de suivre l'évolution de l'écoulement sur des temps courts (quelques centaine ms) par un ensemble de mesures (débits, pressions, distribution spatiale des phases, suivi de l'interface) sans ou avec transfert thermique aux parois de la cavité. Des fluides de substitutions sont utilisés. Pour la partie expérimentale sans transfert thermique, de l'eau et de l'air sont utilisés à la place du comburant et du gaz inerte et pour la partie non isotherme du "x" (fluorocarbone) et un gaz "y" ont été choisis. Dans le premier cas, les expériences isothermes ont mis en évidence le comportement typique des grandeurs comme la pression dans la cavité et le débit de liquide entrant ainsi que la distribution des phases en sortie d'injection, tandis qu'une analyse des résultats a montré l'importance des différentes échelles de temps qui interviennent pendant le remplissage: temps d'ouverture de la vanne, temps de recouvrement des injecteurs par le liquide et les temps de remplissage et de vidange de la cavité tampon. Dans le deuxième cas, les parois sont chauffées au-dessus de la valeur d'ébullition du liquide, pour la gamme de pression envisagée dans le dôme. Le but est de quantifier les effets d'un possible changement de phase aux parois et d'évaluer leur importance sur l'écoulement. De plus, les conséquences dues à l'échauffement du gaz de balayage constituent une partie significative du programme expérimental. Le gaz est chauffé indépendamment des parois. Un modèle théorique traitant des différents régimes d'écoulements pendant le transitoire de remplissage permet de reproduire le comportement des pressions, débit liquide et fraction volumique de gaz dans la cavité. L'ensemble de ces mesures permettent de comprendre le transitoire de remplissage de la cavité d'injection dôme et l'analyse théorique qui accompagne ces expériences doit permettre l'extrapolation des résultats obtenus en laboratoire aux conditions réelles (fluides cryogéniques sous microgravité). Elle doit aussi fournir les conditions aux limites requises pour les approches numériques développées par ailleurs ainsi que les bases de données permettant de tester ces simulations.

  • Titre traduit

    Experimental study of temporary filling in a rocket motor in the presence of heat transfer to the walls and sweep gas


  • Résumé

    In order to control the ignition of rocket motors during ballistic flight, the transient flow of comburant into a reservoir or buffer cavity (dôme) and then through a grid of injectors must be carefully characterised. The liquid oxygen is held under pressure upstream of a valve which opens into the dome. The valve opening is a control parameter. To avoid any possible flow of carburant from combustion chamber back into reservoir, the latter is swept with an inert gas, thus ensuring that the pressure in the reservoir remains higher than in the combustion chamber. This experimental study has the aim of characterising the spatio-temporal structure of two-phase flow into the dome following opening of principal liquid valve. Filling the dome and forcing the liquid through the injectors has an overall time scale of some hundred milliseconds. High resolution measurements of liquid and gas flow rates, pressure, phase distribution, interface velocity and temperatures are recorded for different values of the key parameters as well as visualisations. For the experimental program with heat transfer, the comburant was replaced with "x". Much work was carried out on the effects of heat transfer from either the gas or the walls or both to the liquid entering the dome once these were above the liquid boiling point. Previous studies in the LEGI using water and air, and without heat transfer brought to light the important variations in dome pressure and liquid flow rate during the transient, while analysis of results indicated the importance of a number of time scales : value opening time, time for the liquid to cover the injectors, time to fill the dome, time to empty it. For the heat transfer experiments, the walls are heated for the pressure range chosen. The sweep gas is heated too. The aim of these experiments is to seek evidence of a phase-change at the walls or during interaction with the gas and to evaluate its importance. To carry out these experiments, specific instrumentation was used. The whole of these mesures enable us to understand the transient filling of the injection cavity. Thus, theoretical analysis have to allow extrapolations of results obteined in laboratory to real cases (cryogenic liquid under microgravity). Then, we have to give a data base to developp and validate numerical simulation.



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