Modélisation de la combustion de gouttes d'aluminium dans les conditions d'un moteur fusée à propergol solide

Modeling of the aluminum droplet combustion under the conditions of a solid rocket motor

• Auteur / Autrice : Mathieu Muller
• Direction : Vincent Giovangigli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique énergétique
• Date : Soutenance le 10/12/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales. Département Multi-Physique pour l'Energétique - DMPE (Toulouse, Haute-Garonne)
• Jury : Président / Présidente : Marc Massot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dmitry Davidenko, Nathalie Cesco, Stany Gallier, Guillaume Legros
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Catoire, Fabien Halter

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aérothermodynamique

Moteurs-fusées

Fusées à propergol solide

Simulation des grandes échelles

Modèles mathématiques

Aluminium

Mots clés libres

Combustion d'une goutte d'aluminium

Modélisation

Résidu de combustion

Ambiance contrôlée

Ambiance propulseur

Loi de combustion

Aluminium droplet combustion

Modeling

Combustion residues

Controlled atmosphere

Combustion law

Résumé

L’objet de cette thèse est d’étudier la combustion de gouttes d’aluminium (Al) dans les conditions d’un moteur-fusée à propergol solide. On a besoin de modéliser ce processus pour évaluer le temps de combustion et la taille des résidus car leur caractérisation dans les conditions réelles est très complexe. Un modèle de combustion d’une goutte en approche multiphysique à symétrie sphérique a été développé tenant compte de nombreux phénomènes physico-chimiques. Ce modèle a été validé et utilisé pour étudier les mécanismes réactionnels en phase gazeuse et en surface. Des simulations en ambiance contrôlée ont été réalisées et les résultats obtenus sont comparés aux données expérimentales de la littérature. L’étude de la combustion de deux classes de gouttes d’Al (particule primaire et agglomérat) en ambiance typique d’un booster Ariane 5 a été menée afin d’évaluer l’effet des différentes cinétiques hétérogènes de surface sur le processus de combustion simulé. Suite à l’intégration du modèle de surface réactive dans le code CEDRE de l’ONERA, les simulations de la combustion ont été poursuivies en approche bidimensionnelle axisymétrique afin d’étudier l’influence de la calotte en surface de la goutte et de la convection des gaz oxydants. La simulation de la combustion établie des deux classes de goutte à 5 et 9 MPa à différents stades d’avancement a permis d’évaluer les caractéristiques principales de la combustion et d’en déduire une loi de combustion globale. Enfin, la phase de chauffage avant établissement de la combustion a été étudiée pour compléter la caractérisation.

The purpose of this thesis is to study the aluminum (Al) droplet combustion in solid rocket motor propellant. We need to model this process to evaluate the burning time and the residues length because their characterization in real conditions is very complex. A combustion model of a single droplet with a multiphysical spherical approach has been developed taking into account various phenomena. This model has been validated and used to study gaseous and surface mechanisms. Simulations in controlled atmospheres were made and the results were compared to experimental data. The study of the combustion of two particle classes (primary particle and agglomerate) under conditions typical for the Ariane 5 solid booster was conducted to evaluate the effect of different heterogeneous surface kinetics on the simulated combustion process. After the integration of the reactive surface model in the ONERA code CEDRE, simulations of the combustion using a two-dimensional axisymmetric approach were made to study the impact of the cap on the droplet surface and the convection velocity of oxidizers. By simulating the established combustion of two droplet classes at two pressures (5 and 9 MPa) in different stages of combustion, we evaluated main characteristics of the combustion and we deducted a global burning law. Finally, the heating of the droplet before an established combustion was studied to complete the characterization.