Modélisation des instabilités hydrodynamiques dans les moteurs-fusées hybrides

Hydrodynamic instabilities modeling in hybrid rocket engines

• Auteur / Autrice : Jérôme Messineo
• Direction : Jérôme Anthoine, Jouke Hijlkema
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et transferts
• Date : Soutenance le 26/10/2016
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Énergétique et dynamique des fluides (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales (France). Département Modèles pour l’Aérodynamique et l’Energétique (Toulouse, Haute-Garonne ; 1997-2017)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Bailly
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Grégoire Casalis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Joseph Majdalani, Johan Steelant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Avions -- Moteurs-fusées

Instabilités hydrodynamiques

Mots clés libres

Propulsion spatiale

Moteurs-Fusées hybrides

Instabilités

Simulations numériques

Space propulsion

Hybrid rocket engine

Instabilities

Numerical simulations

Résumé

Les moteurs-fusées hybrides combinent les technologies des deux autres catégories de moteurs à propulsionchimique, et associent un combustible et un oxydant stockés respectivement sous phase solide et liquide.Cette architecture offre un certain nombre d’avantages, comme par exemple des coûts plus faibleset une architecture simplifiée par rapport à la propulsion bi-liquide; la possibilité de réaliser de multiplesextinctions et ré-allumages et une bonne impulsion spécifique théorique par rapport à la propulsion solide,et enfin une sécurité de mise en œuvre accrue et un impact environnemental faible vis-à-vis de ces deuxautres modes de propulsion. Comme toutes les chambres de combustion, celles des moteurs hybrides peuvent subir des oscillations de pression sous certaines conditions de fonctionnement. Ces instabilités se traduisent par des fluctuationsde poussée qui peuvent dégrader la structure d’un lanceur ou d’un satellite. Des phénomènes diverspeuvent être à l’origine des fluctuations de pression observées dans les moteurs hybrides.L’objectif de la thèse est de proposer une modélisation des instabilités d’origine hydrodynamique quiapparaissent dans les moteurs hybrides. Une exploitation nouvelle de la base de données disponible àl’ONERA a servi de support pour la modélisation, ainsi que des simulations numériques instationnaires 2Det 3D réalisées à l’aide du code CFD CEDRE. Les instabilités sont provoquées par la formation périodiquede structures tourbillonnaires dans la chambre de combustion, qui génèrent des fluctuations de pressionlors de leur passage dans le col de la tuyère. L’originalité du modèle, basé sur la théorie classique degénération tourbillonnaire dans une cavité, consiste à prendre en compte les variations géométriques dela chambre de combustion au cours des tirs. Ces variations ont un effet sur la vitesse de l’écoulement, surla zone de recirculation dans la post-chambre, ainsi que sur les tourbillons eux-mêmes. Enfin, plusieursnouveaux essais du moteur hybride HYCOM ont été effectués et confrontés au modèle développé dans lecadre de la thèse.

Hybrid rocket motors combine solid and bi-liquid chemical propulsion technologies and associate asolid fuel and a liquid oxidizer in its classical configuration. This architecture offers several advantagesover liquid propulsion such as lower costs and a simplified architecture. The possibility of performingmultiple extinctions and re-ignitions and a good theoretical specific impulse is also an improvement inregard to solid propulsion. Hybrid engines also have improved safety and a lower environmental impactthan other chemical propulsion systems. As in all combustion chambers, hybrid engines suffer from pressure oscillations under specific operating conditions. These instabilities provoke thrust fluctuations that can damage the launcher and payloads.Various phenomena can induce the pressure oscillations observed in hybrid rocket engines.The objective of this thesis is to propose a model of hydrodynamics instabilities that appear in hybridengines. A new exploitation of the database available at ONERA, and unsteady 2D and 3D numericalsimulations were used for the modeling. The instabilities are provoked by the periodic formation ofvortices in the combustion chamber that generate pressure fluctuations when passing through the nozzlethroat. The originality of the model, which is based on the classical theory of vortices generation ina cavity, consists in taking into account the geometrical variations of the combustion chamber duringoperation. These variations have an effect on the flow velocity, on the recirculation area in the postchamberand on the vortices. Finally, several new firing tests of the hybrid engine HYCOM have beenperformed and compared to the model developed in this thesis.