Couplage entre modèles diphasiques à « phases séparées » et à « phase dispersée » pour la simulation de l’atomisation primaire en combustion cryotechnique

Coupling between separated and dispersed two-phase flow models for the simulation of primary atomization in cryogenic combustion

• Auteur / Autrice : Clément Le Touze
• Direction : Hervé Guillard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées
• Date : Soutenance le 03/12/2015
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) - Plasma, tUrbulence, Modeling, Approximation and Simulation
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Guillard, François-Xavier Demoulin, Jean-Claude Latché, Marc Massot, Boniface Nkonga, Marie Théron, Angelo Murrone
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François-Xavier Demoulin, Jean-Claude Latché

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie mécanique

Cryotechnique

Atomisation

Écoulement diphasique

Mots clés libres

Écoulements diphasiques

Phases séparées

Phase dispersée

Atomisation primaire

Combustion cryotechnique

Modèle à 4 équations

Modèle cinétique eulérien

Méthode sectionnelle

Méthode MUSCL multipente

Banc Mascotte

Code CEDRE

Two-phase flows

Separated phases

Dispersed phase

Primary atomization

Cryogenic combustion

4-equation model

Eulerian kinetic model

Sectional method

Multislope MUSCL method

Mascotte test bench

CEDRE code

Résumé

Les écoulements diphasiques jouent un rôle prépondérant dans les moteurs-fusées à ergols liquides cryogéniques, équipant par exemple les lanceurs de la famille Ariane. L'étude expérimentale de tels engins propulsifs étant complexe et onéreuse, disposer d'outils numériques à même de simuler fidèlement leur fonctionnement se révèle être un objectif aussi important qu'ambitieux. La difficulté majeure réside dans le caractère fortement multi-échelles du problème, si bien qu’aucune approche numérique existante n'est capable à elle seule de décrire parfaitement l'ensemble des échelles liquides. Partant de ce constat, les travaux présentés dans cette thèse visent à mettre en place une stratégie de couplage entre des modèles bien adaptés aux différentes topologies d'écoulement diphasique, et ce dans le cadre de la plateforme logicielle multi-physique CEDRE développée par l'ONERA. La démarche adoptée consiste précisément à coupler un modèle à interface diffuse de type ``4 équations'' pour les zones à phases séparées, et un modèle cinétique eulérien pour la phase dispersée, rendant ainsi possible la description de l’atomisation primaire. Par ailleurs, les conditions sévères qui règnent dans les moteurs cryotechniques, où de forts gradients de température, vitesse et densité sont rencontrés, mettent à l'épreuve la robustesse des méthodes numériques. Une nouvelle méthode MUSCL multipente pour maillages non structurés généraux a ainsi été développée, permettant d’améliorer la robustesse et la précision des schémas de discrétisation spatiale. L’ensemble de la stratégie de couplage est finalement appliquée à la simulation du banc Mascotte de l'ONERA pour la combustion cryotechnique.

Two-phase flows play a significant role for the proper functioning of cryogenic liquid-propellant rocketengines, such as those that equip the launchers of the Ariane family. Since the experimental investigationof such propulsion devices is complex and expensive, developing numerical tools able to accuratelysimulate their functioning, is a crucial but nonetheless ambitious objective. The major difficulty is due tothe multiscale nature of the problem, as a result of which there is currently no numerical approach ableto perfectly describe all the liquid scales on its own. Based on this observation the work presented in thisthesis aims at setting up a coupling strategy between models well-adapted to each two-phase flowtopology, in the framework of the ONERA’s multiphysics CEDRE software. The approach adoptedprecisely consists in coupling a 4-equation diffuse interface model for the separated phases and aeulerian kinetic model for the dispersed phase, thus making it possible to describe primary atomization.Besides, the harsh conditions within cryogenic rocket engines, where large temperature, velocity anddensity gradients are encountered, severely challenge the robustness of numerical methods. A newmultislope MUSCL method for general unstructured meshes is thus developed in order to improve therobustness and accuracy of space discretization schemes. The whole coupling strategy is finally appliedto the numerical simulation of the ONERA’s Mascotte test bench for cryogenic combustion research.