Experimental study and physical modelling of the interaction between injection and acoustics in liquid-gas multi-injection or transcritical real fluid injection conditions

Experimantal study and physical mοdelling οf the interactiοn between injectiοn and acοustics in liquid-gas multi-injectiοn οr transcritical real fluid injectiοn cοnditiοns

• Auteur / Autrice : Michael Yabriel Ovando Castro
• Direction : Françoise Baillot, Jean-Bernard Blaisot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 03/10/2024
• 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 : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement co-accrédité : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Jury : Président / Présidente : François-Xavier Demoulin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Françoise Baillot, Jean-Bernard Blaisot, François-Xavier Demoulin, Bruno Denet, Thierry Schuller, Marie Théron
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Denet, Thierry Schuller

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Jets -- Fluides, Dynamique des

Turbulence

Dynamique des fluides

Mécanique des fluides

Ondes -- Diffraction

Moteurs-fusées

Mots clés libres

Instabilités dans les moteurs fusées

Effets de radiation de la diffraction acoustique

Expériences en chambre pressurisée

Fluides réels en régime subcritique et transcritique

Modélisation semi-Analytique d'objets convexes acoustiquement transparents.

Instabilities in rocket engines

Radiation effects of acoustic diffraction

Pressurized chamber experiments

Real fluids in sub- and transcritical regimes

Semi-Analytical modeling of acoustically transparent convex objects.

Résumé

Les instabilités thermoacoustiques dans les moteurs-fusées à propergol liquide (LRE) investiguées depuis les années 1930 font toujours l’objet d’études primordiales inscrites dans la stratégie du programme R{\&}D du CNES. Celles-ci se produisent dès lors qu’apparaît une boucle de couplage entre les fluctuations de pression et celles du taux de dégagement de chaleur. Or ce dernier peut être perturbé suite à l’impact des ondes de pression sur des phénomènes physiques qui participent en amont au processus complet de la combustion, comme l’atomisation ou le mélange. Les travaux présentés dans cette thèse de doctorat s’intègrent dans cette dynamique de recherche. Ils se concentrent sur le comportement des écoulements situés dans la zone d’injection lorsqu’ils sont soumis à des champs acoustiques transverses de haute intensité consécutifs à des modes de résonance de chambre contrôlés par forçage. Les fluides sont considérés soit dans leur état sous-critique, soit au voisinage de leur état transcritique/supercritique. Trois actions sont proposées : (i) le développement d’un modèle théorique de champ acoustique diffracté en présence d'un objet acoustiquement transparent, subissant en retour des effets nonlinéaires de radiation acoustique. La propriété de transmission acoustique à l’interface de l’objet, non nécessaire pour des objets lourds par rapport à leur environnement (cas d’un jet d’eau dans l’air), devient indispensable dès lors que sa masse volumique s’approche de celle de l’environnement (cas d’un jet transcritique dans l’azote gazeux). Cela doit particulièrement être pris en compte dès lors que l’objet est déformable sous l’action des efforts de radiation stationnaires ;(ii) l’adaptation du banc HP-5L injectant un jet d’éthane dans l’état transcritique dans un environnement d’azote supercritique pressurisé au-delà du point critique de l’éthane, en vue de recevoir un système de forçage acoustique développé spécifiquement dans le cadre de cette étude, capable de supporter ces conditions de pression (50 bar) et de température (323K). Ce système acoustique utilisant des éléments vibrants piézoélectriques a été testé sur le banc acoustique autonome ACoUstic Test bEnch (ACUTE) capable de produire un champ acoustique transverse stationnaire. Intégré au banc HP-5L, le point d’injection peut être placé à discrétion sur un ventre de pression, de vitesse ou d’intensité acoustique ; (iii) la conception et la mise en place d’un dôme multiple injection d’eau assistée par air s’ajustant sur le banc pressurisé (1 à 5 bar) préexistant MARACA muni d’un système de forçage acoustique comprenant quatre haut-parleurs à dôme de titane et actuateur solénoïde générant un champ acoustique stationnaire transversal de grande amplitude (de l'ordre de 6000 Pa crête-à-crête ou 169,5 dB à P_{ch} = 1 \ bar et 14000 Pa crête-à-crête ou 176,9 dB à P_{ch} = 5 \ bar) et de fréquence autour de 1 kHz. Les écoulements coaxiaux caractéristiques du régime Fibre (Re_l = 6600, We_g = 520 ; Re_l = 3200, We_g = 224) et régime Rayleigh Non-Axisymétrique (Re_l = 3000, We_g = 40) sont caractérisés à l’aide de visualisations par rétro-éclairage diffus (DBI) dans deux directions perpendiculaires, capturées par deux caméras synchronisées à grande vitesse (environ 1 kfps). Le nouveau dôme multiple injection a été conçu pour accueillir plusieurs injecteurs, ce qui permet le fonctionnement simultané de 4 ou 5 injecteurs. Malgré la complexité de la visualisation de plusieurs jets qui se superposent, les mesures granulométriques (qui impliquent l'analyse de la distribution de la taille des particules à l'intérieur des jets) peuvent toujours être effectuées efficacement. Lorsque le nombre de Weber est faible, ce qui correspond à des scénarios où les forces de tension superficielle dominent les forces d'inertie, l'influence de l'acoustique sur les jets est plus prononcée. Les ondes acoustiques interagissent fortement avec les jets de liquides, affectant leur comp

Thermoacoustic instabilities in liquid rocket engines (LREs) have been investigated since the 1930s, and are still the subject of vital studies as part of the CNES R{\&}D program strategy. These occur as soon as a coupling loop appears between fluctuations in pressure and those in the rate of heat release. The latter can be disrupted by the impact of pressure waves on physical phenomena such as atomization and mixing, which are involved in the entire combustion process upstream. The work presented in this doctoral thesis is part of this research dynamics. It focuses on the behavior of flows located in the injection zone when subjected to high-intensity transverse acoustic fields following forcing-controlled chamber resonance modes. Fluids are considered either in their subcritical state, or in the vicinity of their transcritical/supercritical state. Three actions are proposed: (i) the development of a theoretical model of the scattered acoustic field in the presence of an acoustically transparent cylindrical object, submitted in turn to nonlinear acoustic radiation effects. The property of acoustic transmission at the object interface, which is not necessary for objects that are heavy relative to their environment (as in the case of a water jet in air), becomes indispensable as soon as its density approaches that of the environment (as in the case of a transcritical jet in nitrogen gas). This must be particularly taken into account when the object is deformable under the action of steady radiation efforts; (ii) adaptation of the HP-5L bench injecting a jet of ethane in the transcritical state into an environment of supercritical nitrogen pressurized beyond the critical point of ethane, in order to accommodate an acoustic forcing system developed specifically within the framework of this study, capable of withstanding these conditions of pressure (50 bar) and temperature (323K). This acoustic system using piezoelectric vibrating elements was tested on the ACoUstic Test bEnch (ACUTE) stand-alone acoustic bench capable of producing a standing transverse acoustic field. Integrated with the HP-5L bench, the injection point can be positioned at will on a pressure, velocity or acoustic intensity antinodes; (iii) the design and installation of an air-assisted multiple water injection dome fitting on the pre-existing MARACA pressurized bench (1 to 5 bar) equipped with an acoustic forcing system comprising four titanium dome loudspeakers and solenoid actuator generating a transverse standing acoustic field of large amplitudes (in the order of 6000 Pa peak-to-peak or 169.5 dB at P_{ch} = 1 \ bar and 14000 Pa peak-to-peak or 176.9 dB at P_{ch} = 5 \ bar) and frequency around 1 kHz. Coaxial flows characteristic of the Fiber regime (Re_l = 6600, We_g = 520; Re_l = 3200, We_g = 224) and Rayleigh Non-Axisymmetric regime (Re_l = 3000, We_g = 40) are characterized using diffuse backlighting visualizations (DBI) in two perpendicular directions, captured by two synchronized cameras at high speed (around 1 kfps). The new injection dome has been designed to accommodate multiple injectors, allowing for the simultaneous operation of 4 or 5 injectors. Despite the complexity in visualizing multiple overlapping jets, granulometric measurements (which involve analyzing the size distribution of particles within the jets) can still be performed effectively. At low Weber numbers, which correspond to scenarios where surface tension forces dominate over inertial forces, the influence of acoustics on the jets is more pronounced. The acoustic waves interact strongly with the liquid jets, affecting their breakup behavior. This effect is observed consistently across all multiple injector configurations, indicating that acoustics play a significant role in the dynamics of the jets under these conditions. The impact of acoustic waves on the jets becomes even more significant at a chamber pressure P_{ch} = 5 \ bar due to a decrease of the ampl