Etude expérimentale de l'interection turbulence cavitation dans un écoulement de marche descendante cavitant : application à la problématique du ''blackflow'' l'amont des turbopompes de moteurs fusées

Experimental study of the turbulence cavitation interaction in a cavitating backward facing step flow : application to the backflow problem upstream the rocket engine turbopumps

• Auteur / Autrice : Guillaume Maurice
• Direction : Stéphane Barre, Henda Djeridi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, procédés, énergétique
• Date : Soutenance le 14/05/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Alain Cartellier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Barre, Henda Djeridi, Véronique Roig, Erwan Colin, Luca Dagostino, Samuel Legoupil
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Lance, Mohamed Farhat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement en marche descendante

Turbulence

Cavitation

Mots clés libres

Cavitation

Turbulence

Marche descendante

Rayon X

PIV LIF 2D 3C

Cavitation

Turbulence

Backward facing step

X ray

PIV LIF 2D 3C

Résumé

Le travail présenté ici s'insère dans le cadre des études amont financées par le CNES et SNECMA qui visent à mieux appréhender, et simuler les écoulements cavitants dans les inducteurs à l'amont des turbopompes spatiales. Compte tenu de la complexité des mécanismes mis en jeu dans ce type de géométrie, il a été décidé de réaliser une étude dans une géométrie académique de type marche descendante cavitante comportant les différents mécanismes physiques inhérents aux écoulements de backflow (écoulements instationnaires décollés) présents dans les inducteurs. Cette géométrie simplifiée a permis la mise en place d'une instrumentation de pointe telle que la densitométrie par absorption de rayons X résolue en temps ou encore la PIV-LIF 2D, 3C haute cadence pour la mesure du champ de vitesse liquide. Ces techniques étant couplées à la mesure du champ de pression pariétale, il a donc été possible d'estimer les interactions mutuelles entre la turbulence et la cavitation dans ce type d'écoulement.Les mesures couplées aux champ de pression ont également permis d'utiliser des techniques de traitement POD-LSE pour estimer des termes de corrélations densité-vitesse nécessaires à la validation des modèles de type transport de taux de vide. De manière générale, la cavitation engendre des modifications notables d'origine dilatatoire sur l'agitation turbulente et modifie la dynamique tourbillonnaire. Ces résultats permettent de tirer des conclusions sur les stratégies de modélisation. En effet en régime cavitant l'augmentation de l'énergie cinétique turbulente étant décorrélée du cisaillement moyen, les modèles basés sur une viscosité turbulente semblent inadaptés . D'autre part à fort taux de vide les résultats semblent être en contradiction totale avec les modèles barotropes.

The present study is inserted in the framework of previous research which aim to get a better understanding of turbulent and cavitating phenomena which occur in the spatial turbopump. Actually, the specific topology of the detached flow which takes place upstream the inducer is today miss-predicted by the standard numerical models.Taking into account the huge complexity of such a flow it has been decided to experimentally investigate the backward-facing step flow which is recognized as a benchmark for numerical simulations and cover a large area of similitude with the backflow upstream the inducers.For this purpose, the mean and turbulent quantities of the liquid phase in the presence of the vapor phase as well as spatio-temporal correlations have been investigated using stereoscopic time resolved PIV, the void ratio has been determined using X-Ray attenuation techniques and measurements have been made for different cavitation levels. The main originality of the present work is based on instantaneous measurements of the wall pressure signals correlated with high speed visualizations, PIV and X-Ray measurements. Specific signal processing as Proper Orthogonal Decomposition and Linear Stochastic Estimation has been performed in order to estimate the velocity-density correlations useful to evaluate the void ratio transport. In this experimental work the physical mechanisms of the vapour phase effects on the large vortex structures, shear layer instability, reattachment wall and reverse flow have been investigated to determine what physical assumptions can be applied in the usual cavitation and turbulence models.It has been found for the cavitating cases that the growth of turbulent kinetic energy is not correlated to mean and turbulent shear stresses. This experimental observation is in contradiction with the Boussinesq hypothesis used for the linear eddy viscosity models.Moreover concerning the phase-change modelization for high void fraction, the barotropic models seem to disagree with our experiments.