Étude des transferts de chaleur aux parois dans les moteurs-fusées

Numerical study of wall heat transfer in rocket-engines

• Auteur / Autrice : François Dabireau
• Direction : Thierry Poinsot, Franck Nicoud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Combustion

Mots clés libres

Loi de paroi

Interaction flamme-paroi

Résumé

Les conditions extrêmes de pression et de température qui règnent dans la chambre des moteurs-fusées imposent de prédire de manière sûre les flux de chaleur, en moyenne pour l'élaboration du cycle de fonctionnement mais aussi localement au cours du temps pour l'évaluation de la durée de vie de la chambre de combustion. Dans cette étude on utilise des codes de calcul pour estimer les flux pariétaux. Pour une meilleure évaluation des flux moyens en code RANS (équations de Navier-Stokes moyennées) on développe des lois de paroi prenant en compte la forte compressibilité du fluide et le fort gradient de température normal à la paroi. La validité de ces modèles est éprouvée par des tests « a priori », puis dans plusieurs configurations académiques ou industrielles. L'erreur commise sur le flux au col d'une tuyère passe d'environ 50% avec une loi log, à 15% avec les modèles développés. Quant au flux de chaleur maximum il est attribué à l'interaction flamme H2/O2-paroi pour laquelle plusieurs configurations génériques sont calculées avec des codes de Simulation Numérique Directe. Les mécanismes d'interaction sont détaillés sur des cas mono- puis bidimensionnels. On montre qu'à condition de disposer d'une thermochimie ajustée, des études en chimie simple sont tout à fait pertinentes puisque le problème est thermiquement contrôlé. L'influence de la pression sur la flamme s'avère différente en prémélange et en diffusion. Du point de vue thermique c'est la distance entre la flamme et la paroi qui pilote le flux maximal. On établit finalement que la paroi peut être soumise à des flux instantanés localement très élevés. Dans certaines configurations on peut également s'attendre à ce que l'interaction s'installe sur la durée.

The extreme conditions for pressure and temperature in rocket-engines impose to carefully predict heat fluxes, both mean (for engine cycle determination) and instantaneous (for lifetime of the combustion chamber). In the present study these fluxes are estimated with numerical computations. For a better evaluation of the mean fluxes with RANS codes laws of the wall are developed to take into account the high compressibility of the fluid and the high wall temperature gradient. These models are evaluated with « a priori » tests, and on several academic and industrial configurations. The percentage of error on the nozzle heat flux calculation is of about 50% for a log law and of 15% for the models developed here. The maximum wall heat flux is due to H2/02 flame/wall interaction. Several configurations of interaction are computed using Direct Simulation codes. One and two dimensional mecanisms are investigated. It is shown that, when the chemistry is adapted, simple chemistry studies are adequate because the problem is thermically controlled. The impact of the pressure on the flame structure is quite different in premixed or diffusion combustion. The flame-wall distance is the leading parameter for maximum wall heat flux. Finally the wall can be locally submitted to very high fluxes. Under certain conditions the interaction may become quasi-steady with a stabilised non-zero wall heat flux.