Modélisation et réduction de la cinétique chimique LOx-méthane pour des applications moteur-fusée

Modelling and reduction of the LOx-Methane chemical kinetics for rocket engine applications

• Auteur / Autrice : Antoine Mouze-Mornettas
• Direction : Fabien Halter, Bénédicte Cuenot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 10/10/2023
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...) - Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique (Toulouse)
• Jury : Président / Présidente : Frédérique Battin-Leclerc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aurélie Nicole, Annafederica Urbano, Guillaume Dayma
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédérique Battin-Leclerc, Guillaume Ribert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Combustion

Chambres de combustion

Simulation des grandes échelles

Réduction (chimie)

Simulation, Méthodes de

Moteurs-fusées à ergols liquides

Oxydation

Méthane

Cinétique chimique

Mots clés libres

Oxycombustion de méthane

LOx

Mesures de vitesse de flamme

Methane oxycombustion

LOx

Flame speed acquisition

Résumé

Le marché de l'espace étant de plus en plus compétitif, les lanceurs réutilisables sont considérés comme une technologie clé pour réduire de manière significative le coût de l'accès à l'orbite. Comme il représente le meilleur compromis coût-performance, le méthane est envisagé comme une solution pour de futurs moteurs réutilisables. Cependant, les conditions de fonctionnement des moteur-fusée sont extrêmes en termes de température et de pression, prohibitives pour la plupart des dispositifs expérimentaux existants. Il y a donc un manque fondamental de connaissances sur la cinétique de l'oxycombustion du méthane.Pour obtenir un modèle cinétique, une base de données expérimentale de vitesse de flamme Su représentative des conditions d'application est construite à l'aide de la chambre de combustion isochore OPTIPRIME développée à ICARE (CNRS). Une gamme variée de richesses, pression et température jamais explorée auparavant pour ces mélanges est construite. Une sélection de différents mécanismes chimiques récents est ensuite comparée aux résultats expérimentaux. Le mécanisme ayant l'écart le plus faible avec l'expérience (POLIMI C1-C3) est utilisé comme point de départ d'un processus d'optimisation sur la base de données expérimentale à l'aide de l'outil OPTISMOKE++. Un mécanisme adapté à la combustion CH4IO2 en conditions d'un moteur de fusée est ainsi obtenu. Pour finir, le modèle est testé dans une simulation LES 3D haute-fidélité d'une configuration moteur-fusée mono-injecteur à100 bar (REST HF-10) avec le code AVBP développé au CERFACS. Les résultats obtenus sont comparés à des modèles existants. Les principales caractéristiques de la flamme sont retrouvées mais sa structure est plus complexe, soulignant ainsi l'intérêt d'une chimie optimisée.

As the space market becomes increasingly competitive, reusable launch vehicles are seen as a key technology to significantly reduce the cost of access to orbit. As it represents the best cost-performance compromise, methane is considered as a solution for future reusable engines. However, the operating conditions of rocket engines are extreme in terms of temperature and pressure, hence prohibitive for most existing experimental devices. Thus, there is a fundamental lack of knowledge about the kinetics of methane oxycombustion.To obtain a valid kinetic model, an experimental database of flame velocity Su representative of the application conditions is built using the OPTIPRIME isochoric combustion chamber developed at ICARE(CNRS). A wide range of equivalence ratios, pressure and temperature never explored before for these mixtures is constructed. A selection of different recent mechanisms is then compared to the experimental results. The mechanism with the smallest deviation from experiment (POLIMI C1-C3) isused as a starting point for an optimization process on the experimental database using the OPTISMOKE++ tool. Hence, a kinetic model adapted to CH4IO2 combustion under rocket engine conditions is obtained. Finally, the model is tested in a high-fidelity 3D LES simulation of a single-enginerocket configuration at 100 bar (REST HF-10) with the AVBP code developed at CERFACS. The obtained results are compared to existing models. The main characteristics of the flame are recovered but with a more complex structure, thus underlining the interest of an optimized chemistry.