Εtude expérimentale de jets assistés en atmοsphère pressurisée et mοdélisatiοn en présence d'effets nοn-linéaires de l'acοustique

Experimental study of assisted jets in a pressurized atmosphere and modeling in the presence of non-linear effects of acoustics

• Auteur / Autrice : Rafael Alejandro Herrera Leclerc
• Direction : Françoise Baillot, Jean-Bernard Blaisot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 08/02/2022
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Françoise Baillot, Jean-Bernard Blaisot, Christophe Bailly, Franck Richecœur, Michael Oschwald, Marie Théron
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Bailly, Franck Richecœur

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acoustique non linéaire

Moteurs -- Injection du carburant

Combustion

Moteurs-fusées

Jets -- Fluides, Dynamique des

Déformations (mécanique)

Pression acoustique

Pression de radiation acoustique

Atomisation

Acoustique

Mots clés libres

Acoustique

Atomisation

Pression de radiation

Force de radiation

Déformation

Instabilités de combustion

Haute amplitude

Mode transverse

Injection coaxiale

Moteurs-fusée -- Combustion

Moteurs-fusée -- Injection du carburant

Acoustique non-linéaire

Acoustics

Atomization

Radiation pressure

Radiation force

Deformation

Combustion instabilities

High amplitude

Transverse mode

Coaxial injection

Rocket engines - - Combustion

Rocket engines - - Fuel injection

Nonlinear acoustics

Résumé

La recherche présentée dans cette thèse de doctorat vise à accroître la compréhension de l’effet d’un champ acoustique stationnaire plan sur le processus d’atomisation dans une atmosphère relativement dense en fournissant des données expérimentales et en développant des modèles analytiques acoustiques pour la pression de radiation acoustique et la force de radiation acoustique. Cette étude contribue à la stratégie de recherche sur les instabilités de combustion dans les moteurs-fusées dans le cadre du programme de R&D CNES en Propulsion Liquide. Pour les expériences, des jets coaxiaux air/eau ont été injectés dans une cavité parallélépipédique pressurisée au sein de la quelle un champ acoustique transverse stationnaire de haute amplitude à une fréquence d'environ 1kHz est forcé à l’aide de quatre haut-parleurs. La densité de l’air ambiantest modifiée en changeant la pression dans la cavité. L’injection coaxiale a été caractérisée par des visualisations par imagerie en fond diffus dans deux directions perpendiculaires avec deux caméras rapide (environ 1kfps) synchronisées. Des visualisations dans le plan contenant l’axe acoustique et dans le plan d’onde permettent d’observer des phénomènes tels que l’aplatissement du jet ou la déviation du jet/spray. Parallèlement aux expériences, trois modèles analytiques de la pression de radiation acoustique et de la force de radiation acoustique ont été développés pour aider à analyser l’aplatissement et la déviation du jet de liquide par l’acoustique. La première approche introduit un modèle semi-analytique pour évaluer la pression de radiation sur des objets à sections transversales non circulaires afin d’évaluer la modification des effets acoustiques avec le changement de géométrie. La seconde introduit un modèle pour calculer la déformation d’un objet liquide en couplant la loi de tension superficielle avec le modèle de pression de radiation pour déterminer l’énergie acoustique nécessaire pour produire un état de déformation donné. Un troisième modèle est développé pour déterminer l’interaction acoustique entre des objets sphériques afin de quantifier la distance à partir de laquelle les gouttes dans un spray commencent à interagir acoustiquement. La comparaison du modèle avec des expériences a montré un accord parfait indiquant que les effets de la pression de radiation et la force de radiation sont les principaux mécanismes physiques responsables de l’aplatissement et de la déviationdu jet quelle que soit le rapport relatif de densité entre le liquide et le mileu ambiant.

The research presented in this PhD thesis aims to increase the understanding of the effect of controlled transverse plane acoustic standing fields on the atomization process in a relatively dense atmosphere providing experimental data and developing acoustic analytical models for the acoustic radiation pressure and the acoustic radiation force. This research contributes to the research strategy on combustion instabilities in liquid rocket engines (LRE) in the frame of CNES Liquid Propulsion R&D program. For the experiments, coaxial air/water jets were injected in a pressurized parallelepiped cavity where a high amplitude transverse acoustic standing field at a frequency around1kHz is forced internally by four loudspeakers. The air ambient density is modified by changing the cavity pressure. The coaxial injection was characterized by diffuse back-illumination (DBI) visualizations in two perpendicular directions with two synchronized high-speed (around 1 kfps) cameras. Visualizations in the plane containing the acoustic axis and in the wave plane allow observing phenomena such as the jet flattening or jet/spray deviation. In parallel with experiments, three acoustic models of the radiation pressure and radiation force were developed to help analyze the liquid jet flattening and deviation under acoustics. The first approach introduces a semianalytical model for evaluating the radiation pressure on objects of non-circular crosssections to evaluate the modification of acoustic effects with the geometry change. The second introduces a model to compute the liquid object deformation by coupling the surface tension law with the radiation pressure model to determine the acoustic energy needed to produce a desired liquid deformation state. A third model is developed to determine the acoustic interaction between spherical objects to quantify the distance from which droplets in a spray start to interact acoustically. Comparison of model and experiments showed a perfect agreement indicating that the radiation pressure and radiation force effects are the main physical mechanisms responsible for the jet flattening and deviation regardless of the jet/ambient relative density.