Simulation aux grandes échelles de l'atomisation pour moteur-fusée à injection liquide en regime sous-critique

Large Eddy Simulations for atomization in subcritical liquid rocket engines

• Auteur / Autrice : Thibault Gioud
• Direction : Nicolas Odier, Jean-Christophe Jouhaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 27/05/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• 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)
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Aymeric Vié
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Odier, Bénédicte Cuenot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Moureau, Mikhael Gorokhovski

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement diphasique

Atomisation

Moteurs-fusées

Mots clés libres

Moteurs fusée

Diphasique

Atomisation

Gaz réel

Sous-critique

Rocket Engine

Two-phase flows

Atomization

Real gas

Subcritical

Résumé

Ces dernières années, le marché des lanceurs spatiaux a connu une croissance significative, marquée par l'émergence de satellites de dimensions de plus en plus réduites et d'un coût de production de plus en plus abordable, attribuable aux récentes avancées technologiques. Cette réduction des coûts a permis de satisfaire une demande croissante, et l'entrée en scène de nouveaux acteurs privés dans le secteur de la fabrication de lanceurs. Une stratégie clé pour minimiser les coûts réside dans l'utilisation du méthane comme combustible, en remplacement de l'hydrogène, dont les coûts globaux (stockage, température, etc.) sont nettement plus élevés, malgré des performances supérieures.Par ailleurs, l'évolution des modèles numériques et la puissance croissante des calculateurs ont rendu la simulation numérique particulièrement attrayante pour prédire et optimiser les performances ainsi que la durée de vie des moteurs. La présente thèse se focalise sur la simulation numérique aux grandes échelles de la combustion des moteurs fusées en régime sous-critique.Les moteurs fusées peuvent rencontrer de multiples conditions thermodynamiques, depuis un régime sous-critique jusqu'à des régimes supercritiques. En régime sous-critique, un ou deux des ergols peuvent se trouver à l'état liquide. La présence d'un mélange diphasique rend la simulation numérique complexe en raison des forts gradients présents au niveau de l'interface. Ainsi, le développement de modèles capables de représenter cette interface et sa dynamique au travers des diverses conditions thermodynamiques potentielles constitue un axe de recherche en plein essor.Dans le cadre de cette thèse, la méthode d'interface diffuse multi-fluides, est utilisée pour simuler les écoulements diphasiques dans des conditions moteurs fusée. Cette approche a pour objectif de relever les défis associés à la complexité des simulations numériques découlant de la présence du mélange diphasique. De plus, l'approche adoptée dans cette thèse prend en considération les forces de tension de surface qui, jouent un rôle crucial dans les phénomènes d'atomisation. Cette méthode a été évaluée sur une configuration réactive similaire à celle d'un moteur fusée (banc expérimental investigué au Technische Universität München), présentant des résultats très encourageants et montrant le bénéfice de simuler le jet liquide par rapport à une méthode qui le modélise par l'injection de particules Lagrangiennes.L'injection d'un liquide dans un gaz entraîne des phénomènes d'atomisation, se manifestant par une série consécutive de ruptures de structures liquides de plus en plus petites à mesure que l'on s'éloigne de l'injection. Ainsi, loin de l'injection, les diamètres de gouttes deviennent très petits, rendant la résolution précise de ces structures extrêmement coûteuse. De plus, l'utilisation d'une méthode d'interface diffuse ne permet pas la précision requise pour la capture complète de ces phénomènes d'atomisation.Aussi, une approche est proposée, consistant à simuler les plus grosses structures par une approche Eulérienne, et à les modéliser par une approche Lagrangienne après leur première séparation du coeur liquide. Un modèle d'atomisation secondaire permet ensuite la prédiction des caractéristiques du spray final. Au cours de cette thèse, l'algorithme permettant le transfert de masse, d'énergie et de quantité de mouvement entre ces deux formalismes a été implémenté. L'ensemble de la stratégie a été évalué sur un cas de Jet In Cross Flow montrant des résultats très encourageants, notamment pour sur la distribution de tail de gouttes.Enfin, cette stratégie de couplage a été utilisée pour la simulation du cas réactif TUM. Si le temps consacré à cette étude n'a pas permis un temps de convergence suffisant pour tirer des conclusions, des premiers résultats encourageants montrent la capacité et la robustesse de cette méthodologie dans ces conditions reactives.

In recent years, the space launchers market has experienced significant growth, marked by the emergence of increasingly compact satellites and a progressively more affordable production cost, attributable to recent technological advancements. This cost reduction has met the rising demand, with new private entities entering the launcher manufacturing sector. A key strategy to minimize costs lies in the use of methane as a fuel, replacing hydrogen, which incurs significantly higher operating costs (storage, temperature, etc.) despite superior performance.The evolution of numerical models and the increasing computational power have made numerical simulation particularly attractive for predicting and optimizing the performance and lifespan of rocket engines. This PhD thesis focuses on Large Eddy Simulation of rocket engine combustion in sub-critical regimes. Rocket engines can experience multiple thermodynamic conditions, ranging from sub-critical to supercritical regimes. In sub-critical regimes, one or both propellants may exist in a liquid state. The presence of a two-phase mixture (gas + liquid) makes numerical simulation complex due to the strong gradients at the liquid/gas interface. Therefore, developing models able to represent this interface and its dynamics under various thermodynamic conditions is an undergoing research direction.In this thesis, the diffuse multi-fluid interface method, assuming equilibrium of temperature, pressure, velocity, and Gibbs potentials, is used to simulate two-phase flows in rocket engine conditions. This approach aims to address the challenges associated with the complexity of numerical simulations arising from the presence of a two-phase mixture. Additionally, the approach considers surface tension forces, which play a crucial role in atomization phenomena. This method has been evaluated on a reactive configuration similar to a rocket engine (experimental setup investigated at the Technische Universität München (TUM)), yielding highly encouraging results and demonstrating the benefits of simulating the liquid jet compared to a method modeling it with Lagrangian particle injection.Injecting liquid into a gaseous atmosphere leads to atomization phenomena, manifested by a consecutive series of breakups in the streamwise direction. Far from the injection, droplets diameter becomes very small, making the precise resolution of these structures computationally expensive. Additionally, the use of a diffuse interface method does not provide the required accuracy for the complete capture of these atomization phenomena.Therefore, an approach is proposed, involving the simulation of larger structures using an Eulerian approach and modeling the smallest particles with a Lagrangian approach. A secondary atomization model then predicts the characteristics of the final spray. During this thesis, the coupling algorithm providing mass, energy, and momentum transfer between these two formalisms was implemented in a multi-species context. The entire strategy was evaluated on a Jet In Cross Flow (JICF) configuration, showing highly encouraging results, particularly for droplet size distribution.Finally, this coupling strategy was applied to simulate the reactive TUM case. Although the dedicated time did not allow for sufficient convergence time to draw conclusions, initial promising results demonstrate the capability and robustness of this methodology under reactive conditions. Moreover, this methodology provides access to statistical spray data, such as droplet size distributions and velocities.