Contribution à l'étude des instabilités de combustion dans les moteurs-fusées cryotechniques : couplage entre modèles à interfaces diffuses et modèles cinétiques pour la simulation de l'atomisation primaire

Contribution to the study of combustion instabilities in cryotechnic rocket engines : coupling diffuse interface models with kinetic-based moment methods for primary atomization simulations

• Auteur / Autrice : Pierre Cordesse
• Direction : Marc Massot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées
• Date : Soutenance le 23/06/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de mathématiques Hadamard (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mathématiques (Palaiseau, Essonne ; ....-2004)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Pauline Lafitte-Godillon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Grétar Tryggvason, Nicolas Seguin, Marica Pelanti, Sergey Gavrilyuk, Grégoire Allaire, Angelo Murrone
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Grétar Tryggvason, Nicolas Seguin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Écoulement diphasique

Lanceurs (astronautique)

Mots clés libres

Thermodynamique multi-Fluide

Modèles diphasiques d'ordre réduit

Simulations numériques

Calcul variationnel

Dynamique à deux échelles de l'interface

Solveurs de Riemann approchés

Multi-Fluid thermodynamics

Dual-Scale interface dynamics

Variational calculus

Approximate Riemann solvers

Numerical simulations

Reduced-Order two-Phase flow models

Résumé

Gardiens de l’espace, les lanceurs de fusée font l’objet d’une amélioration continue et concurrentielle, grâce à des campagnes de tests expérimentaux et numériques. Les simulations prédictives sont devenues indispensables pour accroître notre compréhension de la physique. Ajustables, elles se prêtent parfaitement à la conception et l’optimisation, en particuliers de la chambre de combustion, pour garantir la sureté et maximiser l’efficacité. L’atomisation primaire est l’un des phénomènes déterminants de la combustion du combustible et de l’oxydant, pilotant à la fois la distribution de gouttes et les potentielles instabilités hautes-fréquences en conditions sous-critiques. Elle couvre un large spectre de topologies d’écoulement diphasique, depuis ceux de type phases séparées jusqu’à la phase dispersée, en passant par une région mixte caractérisée par la complexité de la physique à petites échelles et de la topologie de l’écoulement. Les modèles d’ordre réduit constituent de bons candidats pour réaliser des simulations numériques prédictives et relativement peu coûteuses en ressource de calcul sur des configurations industrielles. Cependant, jusqu’à présent ils ne décrivent correctement que la dynamique des grandes échelles et doivent donc être couplés à des modèles de phase dispersée nécessitant un réglage minutieux de paramètres pour prédire la formation du spray. Afin de décrire à la fois les régions mixte et dispersée, l’amélioration de la hiérarchie de modèles d’ordre réduit repose sur quelques principes clefs au cœur de la thèse ci-présente et fournit des problèmes interdisciplinaires faisant appel tant à l’analyse mathématique et la modélisation physique de ces systèmes d’EDP qu’à leur discrétisation numérique et leur implémentation dans des codes de CFD à des fins industriels. Grâce d’une part à l’extension de la théorie des équations de conservation supplémentaires à des systèmes impliquant des termes non-conservatifs et d’autre part à un formalisme de thermodynamique multi-fluide tenant compte des effets non-idéaux, nous proposons de nouvelles pistes pour définir une entropie de mélange strictement convexe et consistante avec le système d’équation et les lois de pression, dans le but de permettre la symmétrisation entropique des modèles diphasiques, de prouver leur hyperbolicité et d’obtenir des termes sources généraux. De plus, en rompant avec la vision géométrique de l’interface, nous proposons une description multi-échelle de l’interface pour décrire un mélange multi-fluide comportant une dynamique interfaciale complexe. Le Principe de Moindre Action a permis de dériver un modèle bifluide à une vitesse couplant grandes et petites échelles de l’écoulement. Nous avons ensuite développé une stratégie de séparation d’opérateurs basée sur la discrétisation par Volumes Finis, et nous avons implémenté le nouveau modèle dans le logiciel industriel multiphysique de CFD, CEDRE, de l’ONERA afin d’évaluer numériquement ce dernier. Enfin, nous avons construit et analysé les fondations d’une hiérarchie de cas tests accessibles à la DNS tout en étant au plus proche de configurations industrielles, dans le but d’évaluer les résultats de simulations du nouveau modèle ou de tout autre modèle à venir.

Gatekeepers to the open space, launchers are subject to intense and competitive enhancements, through experimental and numerical test campaigns. Predictive numerical simulations have become mandatory to increase our understanding of the physics. Adjustable, they provide early-stage optimization processes, in particular of the combustion chamber, to guaranty safety and maximize efficiency. One of the major physical phenomenon involved in the combustion of the fuel and oxidizer is the jet atomization, which pilotes both the droplet distributions and the potential high-frequency instabilities in subcritical conditions. It encompasses a large sprectrum of two-phase flow topologies, from separated phases to disperse phase, with a mixed region where the small scale physics and topology of the flow are very complex. Reduced-order models are good candidates to perform predictive but low CPU demanding simulations on industrial configurations but have only been able so far to capture large scale dynamics and have to be coupled to disperse phase models through adjustable and weakly reliable parameters in order to predict spray formation. Improving the hierarchy of reduced order models in order to better describe both the mixed region and the disperse region requires a series of building blocks at the heart of the present work and give on to complex problems in the mathematical analysis and physical modelling of these systems of PDE as well as their numerical discretization and implementation in CFD codes for industrial uses. Thanks to the extension of the theory on supplementary conservative equations to system of non-conservation laws and the formalism of the multi-fluid thermodynamics accounting for non-ideal effects, we give some new leads to define a strictly convex mixture entropy consistent with the system of equations and the pressure laws, which would allow to recover the entropic symmetrization of two-phase flow models, prove their hyperbolicity and obtain generalized source terms. Furthermore, we have departed from a geometric approach of the interface and proposed a multi-scale rendering of the interface to describe multi-fluid flow with complex interface dynamics. The Stationary Action Principle has returned a single velocity two-phase flow model coupling large and small scales of the flow. We then have developed a splitting strategy based on a Finite Volume discretization and have implemented the new model in the industrial CFD software CEDRE of ONERA to proceed to a numerical verification. Finally, we have constituted and investigated a first building block of a hierarchy of test-cases designed to be amenable to DNS while close enough to industrial configurations in order to assess the simulation results of the new model but also to any up-coming models.