Thèse soutenue

Modèles bas-ordre et simulations haute-fidélité pour la prédiction des instabilités de combustion dans les moteurs-fusées à ergols liquides et les turbines à gaz

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Auteur / Autrice : Charlelie Laurent
Direction : Thierry PoinsotLaurent Gicquel
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Energétique et Transferts
Date : Soutenance le 19/06/2020
Etablissement(s) : Toulouse, INPT
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique (Toulouse)
Jury : Président / Présidente : Nicolas Noiray
Examinateurs / Examinatrices : Thierry Poinsot, Laurent Gicquel, Wolfgang Polifke, Matthew Juniper, Aimee S. Morgans, Franck Nicoud, Thomas Schmitt
Rapporteurs / Rapporteuses : Wolfgang Polifke, Matthew Juniper

Résumé

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Au cours des dernières décennies, les instabilités de combustion ont constitué un important défi pour de nombreux projets industriels, en particulier dans la conception de moteurs-fusées à ergols liquide et de turbines à gaz. L'atténuation de leurs effets nécessite une solide compréhension scientifique de l'interaction complexe entre la dynamique de flamme et les ondes acoustiques qu'elles impliquent. Au cours de cette thèse, plusieurs directions ont été explorées pour fournir une meilleure compréhension de la dynamique des flammes dans les moteurs-fusées cryogéniques, ainsi que des méthodes numériques plus efficaces et robustes pour la prédiction des instabilités thermoacoustiques dans les chambres de combustion à géométries complexes. La première facette de ce travail a consisté en la résolution de modes thermoacoustiques dans les chambres de combustion complexes comportant à injecteurs multiples, une tâche qui nécessite souvent des simplifications pour être abordable en termes de coût de calcul. Ces hypothèses physiques nécessaires ont conduit à la popularité croissante des modèles bas-ordre acoustiques, parmi lesquels ceux utilisant l'expansion de Galerkin ont démontré une efficacité prometteuse tout en conservant une précision satisfaisante. Ceux-ci sont cependant limités à des géométries simples qui n'intègrent pas les caractéristiques complexes des systèmes industriels. Une grande partie de ce travail a donc consisté tout d'abord à identifier clairement les limitations mathématiques de l'expansion classique de Galerkin, puis à concevoir un nouveau type d'expansion modale, appelé expansion sur frame, qui ne souffre pas des mêmes restrictions. En particulier, l'expansion sur frame est capable de représenter avec précision le champ de vitesse acoustique près des parois de la chambre de combustion autres que des murs rigides, une capacité cruciale qui manque à la méthode Galerkin. Dans ce travail, le concept d'expansion modale de surface a également été introduit pour modéliser des frontières topologiquement complexes, comme les plaques multi-perforées rencontrées dans les turbines à gaz. Ces nouvelles méthodes numériques ont été combinées avec le formalisme state-space pour construire des réseaux acoustiques de systèmes complexes. Le modèle obtenu a été implémenté dans le code STORM (State-space Thermoacoustic low-ORder Model), qui permet la modélisation bas-ordre des instabilités thermoacoustiques dans des géométries arbitrairement complexes. Le deuxième ingrédient de la prédiction des instabilités thermoacoustiques est la modélisation de la dynamique de flamme. Ce travail a traité de ce point, dans le cas spécifique d'une flamme-jet cryogénique caractéristique d'un moteur-fusée à ergols liquides. Les phénomènes contrôlant la dynamique de flamme ont été identifiés grâce à des Simulations aux Grandes Échelles (SGE) du banc d'essai expérimental Mascotte, où les deux réactifs (CH4 et O2) sont injectés dans des conditions transcritiques. Une première simulation donne un aperçu détaillé de la dynamique intrinsèque de la flamme. Plusieurs SGE avec modulation harmonique de l'injection de carburant, à différentes fréquences et amplitudes, ont été effectués afin d'évaluer la réponse de la flamme aux oscillations acoustiques et de calculer une Fonction de Transfert de Flamme (FTF). La réponse non-linéaire de la flamme, notamment les interactions entre les oscillations intrinsèques et forcées, a également été étudiée. Enfin, la stabilisation de cette flamme dans la région proche de l'injecteur, qui est d'une importance primordiale sur la dynamique globale de la flamme, a été étudiée grâce à une simulation directe multi-physique, où un problème couplé de transfert de chaleur est résolu au niveau de la lèvre de l'injecteur.