Etude de l'interaction choc/turbulence/combustion en écoulement cisaillé réactif : analyse des jets réactifs fortement sous-détendus.

Study of Shock/Turbulence/Combustion Interactions in Reactive Sheared Flows : Analyse of Highly Underexpanded Reactive Jets

• Auteur / Autrice : Romain Buttay
• Direction : Guillaume Lehnasch, Arnaud Mura
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 22/10/2015
• 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 : CNRS - Orléans - Institut Pprime- ENSMA
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Anselmet, Ashwin Chinnayya, Laurent Gomet, Yann Moule
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yves d' Angelo, Christian Tenaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Turbulence

Moteurs-fusées

Aérodynamique supersonique

Mélange

Compressibilité

Écoulement cisaillé

Mots clés libres

CREAMS

Jet compressible

CREAMS

Compressible jet

Résumé

Cette Thèse de Doctorat est consacrée à l'étude des écoulements cisaillés réactifs supersoniques et plus particulièrement à la dynamique des jets compressibles fortement sous détendus. Ce type d'écoulement est rencontré dans un certain nombre d'applications relatives, par exemple, à l'injection d'hydrogène dans les superstatoréacteurs ou bien à l'allumage de moteurs fusées. Il est aussi représentatif du percement de réservoirs à haute pression. Ce travail s'appuie sur l'emploi d'un outil de simulation numérique haute fidélité: CREAMS (Compressible REActive Multi-species Solver). Ce code de calcul met en oeuvre des schémas numériques d'ordre élevé: schéma d' intégration d'ordre 3 en temps et d'ordre 7 et 8 en espace. Il s'appuie sur une description des termes de transport moléculaire et des termes sources chimiques la plus précise possible (transport détaillé et chimie complexe). Les simulations réalisées dans des conditions inertes permettent de caractériser l'importance des interactions choc/turbulence avec une attention particulière accordée au mélange turbulent à petite échelle. Les simulations réactives de jets fortement sous détendus d' hydrogène montrent les difficultés d'allumage et de stabilisation de la combustion pour ce type de conditions, même en présence d'un apport externe d' énergie. Enfin, l'analyse d'un jet représentatif d'un allumeur de moteur fusée révèle certaines spécificités de l'auto-allumage dans ces conditions non-prémélangées rapides.

This dissertation is devoted to the study of sheared supersonic reactive flows and more specifically the dynamics of highly underexpanded jets. Such complex compressible turbulent flow conditions are of praclical interest for scramjets as well as rocket engines applications. Similar condit ions may also be found during the accidentai releases of flammable substances into the atmosphere during high pressure vessel rupture or venting. This work is conducted with a high fidelity computational solver: CREAMS (Compressible Multi-reactive species Solver). It uses high precision numerical schemes third-order Runge Kutta scheme for time integration, plus a combination of seventh and eighth-order centered and WENO schemes for spatial integration. The molecular transport terms and chemical sources terms are handled with the most accurate descriptions, i. e., including detailed transport and chemistry. Inert flow simulations allow to characterize the importance of shock/turbulence interactions with a special emphasis placed on the small-scale scalar mixing. Highly under-expanded reactive hydrogen jet simulations underline the specific difficulties associated to ignition and combustion stabilization even in the presence of an external deposit of energy. Finally, the analysis of the rocket engine igniter jet reveals some specific features of self-ignition phenomena in such non-premixed conditions.