Simulation des émissions d'un moteur à propergol solide : vers une modélisation multi-échelle de l'impact atmosphérique des lanceurs

Large eddy simulations of a solidrocket motor jet : towards a multi-scale modeling of the atmospheric impact of rocket emissions

• Auteur / Autrice : Adèle Poubeau
• Direction : Roberto Paoli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 12/02/2015
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pollution atmosphérique

Véhicules spatiaux -- Propulsion

Propergols solides

Mots clés libres

Computational Fluid Dynamics (CFD)

Solid Rocket Motor

Supersonic jet

Combustion

Large Eddy Simulation (LES)

Solid Rocket Booster

Diffusion flame

Résumé

Les lanceurs ont un impact sur la composition de l'atmosphere, et en particulier sur l'ozone stratospherique. Parmi tous les types de propulsion, les moteurs à propergol solide ont fait l'objet d'une attention particulière car leurs émissions sont responsables d'un appauvrissement significatif d'ozone dans le panache des lanceurs lors des premières heures suivant le lancement. Ce phénomène est principalement dû à la conversion de l'acide chlorhydrique, un composé chimique présent en grandes quantités dans les émissions de ce type de moteur, en chlore actif qui réagit par la suite avec l'ozone dans un cycle catalytique similaire à celui responsable du ''trou de la couche d'ozone'', cette diminution périodique de l'ozone en Antarctique. Cette conversion se produit dans le panache supersonique, où les hautes températures favorisent une seconde combustion entre certaines espèces chimiques du panache et l'air ambiant. L'objectif de cette étude est d'évaluer la concentration de chlore actif dans le panache d'un moteur à propergol solide en utilisant la technique des Simulations aux Grandes Echelles (SGE). Le gaz est injecté à travers la tuyère d'un moteur et une méthode de couplage entre deux instances du solveur de mécanique des fluides est utilisée pour étendre autant que possible le domaine de calcul derrière la tuyère (jusqu'à l'équivalent de 400 diamètres de sortie de la tuyère). Cette méthodologie est validée par une première SGE sans chimie, en analysant les caractéristiques de l'écoulement supersonique avec co-écoulement obtenu par ce calcul. Ensuite, le chimie mettant en jeu la conversion des espèces chlorées a été étudiée au moyen d'un modèle ''hors-ligne'' permettant de résoudre une chimie complexe le long de lignes de courant extraites d'un écoulement moyenné dans le temps résultant du calcul précédent (non réactif). Enfin, une SGE multi-espèces est réalisée, incluant un schéma chimique auparavant réduit afin de limiter le coût de calcul. Cette simulation représente une des toutes premières SGE d'un jet supersonique réactif, incluant la tuyère, effectuée sur un domaine de calcul aussi long. En capturant avec précision le mélange du panache avec l'air ambiant ainsi que les interactions entre turbulence et combustion, la technique des simulations aux grandes échelles offre une évaluation des concentrations des espèces chimiques dans le jet d'une precision inédite. Ces résultats peuvent être utilisés pour initialiser des calculs atmosphériques sur de plus larges domaines, afin de modéliser les réactions entre chlore actif et ozone et de quantifier l'appauvrissement en ozone dans le panache.

Rockets have an impact on the chemical composition of the atmosphere, and particularly on stratospheric ozone. Among all types of propulsion, Solid-Rocket Motors (SRMs) have given rise to concerns since their emissions are responsible for a severe decrease in ozone concentration in the rocket plume during the first hours after a launch. The main source of ozone depletion is due to the conversion of hydrogen chloride, a chemical compound emitted in large quantities by ammonium perchlorate based propellants, into active chlorine compounds, which then react with ozone in a destructive catalytic cycle, similar to those responsible for the Antartic ''Ozone hole''. This conversion occurs in the hot, supersonic exhaust plume, as part of a strong second combustion between chemical species of the plume and air. The objective of this study is to evaluate the active chlorine concentration in the far-field plume of a solid-rocket motor using large-eddy simulations (LES). The gas is injected through the entire nozzle of the SRM and a local time-stepping method based on coupling multi-instances of the fluid solver is used to extend the computational domain up to 400 nozzle exit diameters downstream of the nozzle exit. The methodology is validated for a non-reactive case by analyzing the flow characteristics of the resulting supersonic co-flowing under-expanded jet. Then the chemistry of chlorine is studied off-line using a complex chemistry solver applied on trajectories extracted from the LES time-averaged flow-field. Finally, the online chemistry is analyzed by means of the multi-species version of the LES solver using a reduced chemical scheme. To the best of our knowledge, this represents one of the first LES of a reactive supersonic jet, including nozzle geometry, performed over such a long computational domain. By capturing the effect of mixing of the exhaust plume with ambient air and the interactions between turbulence and combustion, LES offers an evaluation of chemical species distribution in the SRM plume with an unprecedented accuracy. These results can be used to initialize atmospheric simulations on larger domains, in order to model the chemical reactions between active chlorine and ozone and to quantify the ozone loss in SRM plumes.