Modélisation de l’atomisation primaire d’oxygène liquide dans les flammes diphasiques des moteurs fusées à ergols liquides

Liquid-oxygen primary atomization modelling in two-phase flames of liquid-propellant rocket engines

• Auteur / Autrice : Florian Granger
• Direction : Jean-Luc Estivalèzes, Luc-Henry Dorey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 11/12/2023
• 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 Multi-Physique pour l'Energétique (2017-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Zaleski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Estivalèzes, Luc-Henry Dorey, François-Xavier Demoulin, Jean-Philippe Matas, Annafederica Urbano
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François-Xavier Demoulin, Jean-Philippe Matas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Écoulement diphasique

Atomisation

Fusées (aéronautique)

Oxygène

Mots clés libres

Modélisation

Fusée

Oxygène liquide

Ergols

Atomisation

Diphasique

Liquid-Oxygen

Atomization

Flames

Two-Phase

Rocket

Modelling

Résumé

Les futurs moteurs-fusées des lanceurs européens sont développés avec l'objectif d'augmenter leur fiabilité et de diminuer leur coût. Pour cela, il est nécessaire de mieux comprendre les phénomènes physiques complexes qui régissent leur fonctionnement, pour estimer au mieux les marges de conception qui conditionnent le coût et la fiabilité du moteur. Dans le cas des moteurs-fusées à ergols liquides, les phénomènes d'instabilités de combustion de haute fréquence est particulièrement complexe et critique pour le fonctionnement du moteur. En collaboration avec le CNES, des travaux de recherche sur ce phénomène sont menés à l'ONERA pour des conditions d'injection sub-critique. Dans ce cas, l'oxygène est injecté sous forme liquide dans la chambre de combustion et subit une succession de phénomènes: atomisation du jet dense, fragmentation des ligaments liquides, évaporation des gouttelettes, combustion turbulente. Ces phénomènes doivent être restitués avec précision par la simulation afin de mieux comprendre leur rôle dans le déclenchement des instabilités de combustion qui résultent d'un couplage fort entre tous ces phénomènes. Un effort particulier est porté sur la description de l'écoulement diphasique qui implique de forts gradients de densité et une large gamme d'échelles caractéristiques. L'ONERA a développé dans le code CEDRE une stratégie LES (Large Eddy Simulation) qui adapte la modélisation en fonction de la taille des structures liquides et celle du maillage utilisé pour les discrétiser. La prédiction de la taille des gouttes issues de l'atomisation primaire reste en particulier un verrou dans cette méthodologie: des modèles sous-maille doivent intervenir afin de prendre en compte les échelles liquides non résolues par le maillage, complétant ainsi le caractère prédictif de la simulation, de l'atomisation jusqu'à la combustion. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'apporter les améliorations nécessaires à la stratégie de simulation numérique permettant d'obtenir une description fidèle des flammes diphasiques cryogéniques, en développant en particulier un modèle d'atomisation enrichi. La stratégie de modélisation LES des petites échelles sera basée sur l'utilisation d'une équation de transport supplémentaire décrivant la densité d'aire interfaciale contenue dans une cellule. Cette information permettra d'obtenir une échelle caractéristique des structures liquides, et sera utilisée par le couplage pour définir une distribution locale de diamètre de la phase dispersée lors de sa génération. Cependant, la fermeture des termes sources décrivant sa création et sa destruction locales dans le cadre d'une LES est à l'heure actuelle un défi majeur. Pour cela, des simulations DNS (Direct Numerical Simulation) ont été utilisées afin de permettre de mieux comprendre le comportement de l'interface et de proposer une modélisation en conséquence. Le modèle développé dans cette thèse est basée sur une formulation issue de la littérature dont le terme source a été adapté à l’atomisation assistée. Le modèle a ensuite été validé sur une configuration caractéristique de ce régime d’atomisation par comparaison aux simulations DNS. Enfin, la première simulation LES avec l’ensemble des échelles diphasiques calculées de manière locale a été réalisée en utilisant la modélisation de la densité d’aire interfaciale pour estimer une taille de goutte atomisée.

Future rocket engines for European launchers are being designed with a view to increase their reliability and reduce their cost. Therefore, the complex physical phenomena involved in their operation need to be better understood in order to better estimate the design margins that drive cost and reliability. For liquid propellant rocket engines, the phenomenon of high-frequency combustion instability is highly critical for engine operation. In collaboration with CNES, ONERA is leading research studies on combustion instabilities at subcritical injection conditions. Oxygen (LOx) is liquid when it enters the chamber and is subject to a series of phenomena: dense jet atomization, liquid clusters and droplet fragmentation, droplet evaporation, turbulent combustion. These phenomena must be accurately simulated in order to better understand their role in triggering combustion instabilities resulting from a strong coupling between all these phenomena. The numerical simulation of two-phase flows is a key issue, as they involve different characteristic scales as well as high gradients. ONERA has developed a LES (Large Eddy Simulation) strategy in the CEDRE code, which uses the most appropriate model depending on the size of the fluid structures and the size of the mesh used for their discretization. The prediction of the droplet size resulting from the primary atomization remains a key point of this methodology: subgrid models remain to be used to take into account the liquid scales not resolved by the mesh, thus improving the predictive character of the simulation, from atomization to combustion. In this context, the aim of this work is to add the necessary improvements to the numerical simulation to obtain an accurate description of cryogenic two-phase flames, in particular by developing an enriched atomization model. To improve the modeling, attention will be paid to the characterization of the liquid-gas interface at the mesh level in the framework of a diffuse interface model. The LES modeling strategy for small scales will be based on the use of an additional transport equation describing the interface area density contained in a mesh cell. This information will provide a characteristic scale of liquid structures based on the volume/surface ratio and will be used by the coupling to define a local diameter distribution of the dispersed phase at the time of its formation. However, formulating the source terms describing its local creation and destruction in the LES framework is currently a major challenge. To achieve this, DNS (Direct Numerical Simulations) have been used to gain a better understanding of the interfacial behavior and to propose a suitable modeling approach. The model developed in this work is based on a formulation from the literature, with the source term adapted for assisted atomization. The model was then validated against a configuration characteristic of this atomization regime by comparison with DNS simulations. Finally, the first Large Eddy Simulation with all two-phase scales calculated locally was performed using the interface area density modeling to estimate the size of the atomized droplets.