Agglomération de l'aluminium dans les propergols solides: étude des phénomènes physiques associés par ombroscopie et simulation numérique

Aluminum agglomeration for solid propellants: investigation of underlying physical phenomena via shadowgraphy and numerical simulation

• Auteur / Autrice : Thomas Decker
• Direction : Jérôme Anthoine, Robin Devillers, Stany Gallier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique et transferts
• Date : Inscription en doctorat le 02/11/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISAE-ONERA EDyF Energétique et Dynamique des Fluides

Mots clés

Mots clés libres

Agglomération

Modélisation

Analyse d'image

Propergols solides

Aluminium

Mesures expérimentales

Agglomeration

Modelling

Image analysis

Solid propellant

Aluminium

Experimental measure

Résumé

L'aluminium est utilisé en propulsion solide pour augmenter les performances de poussées des propulseurs civiles et militaires. En plus de ce gain, différents phénomènes néfastes peuvent être générés par cette phase aluminium, comme des pertes diphasiques ou des instabilités de fonctionnement. Ces phénomènes dépendent fortement de la taille des gouttes d'aluminium dans l'écoulement. Celle-ci résulte de différents phénomènes d'agglomération à la surface du propergol en combustion, dont la phénoménologie physique est pour l'instant mal décrite. L'objectif de cette thèse est de compléter la modélisation physique de l'agglomération de l'aluminium en associant deux approches : modélisation des forces mises en jeu et mesure par ombroscopie sur un banc de combustion propergol. Les mesures seront réalisées à l'ONERA sur une chambre haute pression pour des compositions de propergol de recherche définie durant la thèse. Cela permettra une visualisation à haute cadence de la surface du propergol en cours de combustion. Des méthodes avancées d'analyse d'images seront mises en œuvre pour repérer automatiquement les motifs d'agglomération et caractériser leur évolution dans le temps. En parallèle, un travail de modélisation et simulation sera mené afin d'affiner la prise en compte des différentes forces et phénomènes mis en jeu à la surface du propergol. Les paramètres physiques pilotant les phénomènes seront quantifiés à l'aide des statistiques fournies par l'analyse expérimentale. Les modèles physiques pourront ainsi être inclus dans des codes servant à la simulation numérique directe de la combustion des propergols solides, par exemple COSMETIC d'ArianeGroup. Cela permettra de simuler la combustion et l'agglomération pour les compositions testées expérimentalement, autorisant ainsi une confrontation directe entre mesures et calculs.

Aluminum is included in solid-propellant compositions to enhance thrust performances for civil and military launchers. However the aluminum phase is also source of various negative phenomena such as two-phase losses or combustion instabilities. All phenomena are highly dependent on the aluminum-droplet diameter in the flow. Droplet size results from agglomeration phenomenan on the burning propellant surface, for which physics is not well described at the moment. The present PhD work aims at complement physical modelling for aluminum agglomeration by combining two approaches: physical modelling and shadowgraphy measurement on a solid-propellant test chamber. Experimental measurements will be performed at ONERA in a high-pressure combustion chamber for solid-propellant research compositions that will be defined as part of the PhD work. The diagnostic provide high-speed visualisation of the burning propellant surface. Advanced image analysis methods will be used to automatically detect agglomeration paterns and characterize their evolution over time. Moreover, modelling and simulation work will be carried to improve the physical description of agglomeration phenomena taking place on the solid-propellant surface. The various driving physical parameters will be quantified from the statistical analysis of the experimental data. The resulting physical models will be included in numerical simulation codes that are used to study solid-propellant combustion, such as COSMETIC from ArianeGroup. Propellant combustion and aluminium agglomeration will then be studied numerically for the solid-propellant composition that will be tested experimentally, enabling direct comparison between measurements and numerical results.