Influence of heat transfer on high pressure flame structure and stabilization in liquid rocket engines

par Raphaël Mari

Thèse de doctorat en Energétique et Transferts

Sous la direction de Bénédicte Cuenot et de Laurent Selle.

Le président du jury était Richard Saurel.

Le jury était composé de Bénédicte Cuenot, Laurent Selle, Pascale Domingo, Thierry Schuller, Dany Escudié.

Les rapporteurs étaient Pascale Domingo, Thierry Schuller.

  • Titre traduit

    Influence des transferts thermiques sur la structure et la stabilisation de flamme à haute pression dans les moteurs fusées cryotechniques


  • Résumé

    Ce travail de recherche s’intéresse au problème de la stabilisation de flammes, et du transfert de chaleur résultant, dans les moteurs fusées cryogéniques. La stabilisation de flamme dans un moteur fusée est un phénomène critique, et toute instabilité peut conduire à des dégâts importants, voire à la destruction du lanceur et des satellites embarqués. Les moteurs (Vulcain 2 et Vinci) qui équipent Ariane 5, et la future Ariane 6, utilisent le couple hydrogène / oxygène, dont la grande impulsion spécifique permet, en minimisant la masse des ergols par rapport à la masse de la charge, une meilleure performance du lanceur. Pour réduire le volume de stockage, les ergols sont refroidis à des températures très basses de l’ordre de quelques dizaines de Kelvin. Ils alimentent une flamme dont la température maximale peut atteindre 3500K, générant de très forts gradients de température dans le fluide, et des flux de chaleur extrêmes dans les parties solides de l’injecteur. Pour prédire les flux de chaleur entre la flamme, l’injecteur et les ergols froids, l’approche de Simulation aux Grandes Echelles (SGE), pour reproduire l’écoulement réactif turbulent instationnaire, est couplée au calcul de thermique du solide dans l’injecteur. Cette approche est d’abord validée par comparaison à une expérience en conditions ambiantes, menée au Laboratoire EM2C (Paris). L’interaction flamme-paroi en présence de transfert de chaleur, qui est un mécanisme de base de la stabilisation de flamme, est ensuite étudiée pour différents niveaux de pression. Finalement une configuration représentative d’un injecteur coaxial de moteur fusée est simulée pour étudier la structure et les mécanismes de stabilisation de la flamme, ainsi que les flux de chaleur reçus par l’injecteur, en vue d’évaluer la fatigue thermique du système.


  • Résumé

    This research work deals with the problem of the flame stabilization in the context of high pressure liquid rocket engines. Flame stabilization in a rocket engine is a critical feature. An instability can lead to important damages of the engine or the destruction of the launcher and the satellite. The engines (Vulcain 2 and Vinci) of the Ariane 5, and the future Ariane 6, use the hydrogen/oxygen propellants. One characteristic of this couple is its high specific impulse. The launcher performance is linked to the ratio of the payload to the total mass of propellants. For volume reasons the propellants are stored at low temperature of the order of a few tens of Kelvin. When injected in the combustion chamber, their combustion releases a huge amount of heat leading to temperature of 3500K. In order to predict the heat transfer between the flame, the solid injector and the cold propellants the Large Eddy Simulation, which allows to capture the unsteady features of the flow, is used in association with a thermal solver for the injector. This approach is validated with a low pressure experiment conducted at Centrale Paris, then a basic 1D configuration allows to understand the phenomena of high pressure flame-wall interaction. Finally a configuration representative of a coaxial rocket engine injector allows to evaluate the structure and the stabilization mechanisms of a cryogenic flame, the heat flux and the temperature of the injector.


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