• Langue : Français
• Discipline : Energetique, thermique, combustion
• Identifiant : 2024ULILR005
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 19/02/2024

Résumé en langue originale

Les moteurs à propergol solide sont utilisés dans la propulsion des lanceurs spatiaux comme Ariane 6. L'aluminium est utilisé comme catalyseur de flamme afin d'améliorer l'impulsion spécifique du moteur. Sa combustion forme des résidus d'alumine dans le canal interne générant des instabilités de pression et des pertes d'écoulement diphasiques. Elles peuvent conduire à la dégradation des systèmes embarqués. Leur compréhension passe par l'amélioration de la prise en compte de la combustion de l'aluminium dans la simulation numérique de l'écoulement. La validation de modèles de combustion de l'aluminium requiert des données expérimentales représentatives des conditions réelles de fonctionnement d'un moteur à propergol solide. Or, l'obtention de ces données à l'aide de diagnostics in situ est ardue à cause de l'ambiance qui est très hostile. Grâce aux nouvelles technologies laser couplées à des détecteurs rapides dotés de hautes résolutions spatio-temporelles, cela devient possible. L'ONERA a développé la méthode d'imagerie de fluorescence induite par laser sur l'atome Al en phase gazeuse à haute cadence d'acquisition en l'appliquant à des flammes de petits échantillons de propergols solides aluminisés à 1,0 MPa. L'analyse des images de fluorescence obtenues dans ce complexe environnement nécessite cependant de connaître les données thermochimiques des produits de combustion du propergol gazeux dans lequel évolue les gouttes pour déterminer leurs influences sur l'intensité et la forme du signal de fluorescence. Dans ce projet de thèse, une des démarches scientifiques suivie pour analyser les images mesurées a consisté à mettre en place un algorithme de détection et de suivi automatique des gouttes adapté. Des statistiques sur la dynamique des gouttes et sur l'évolution du signal LIF dans la flamme ont ainsi pu être obtenues. Afin d'estimer les conditions thermodynamiques de l'ambiance gazeuse dans laquelle évolue les gouttes en combustion, des simulations tridimensionnelles stationnaires monophasiques et instationnaires multiphasiques de la combustion d'un échantillon de propergol solide aluminisé dans un milieu pressurisé à l'azote ont été réalisées. Elles ont permis de montrer que la trajectoire des gouttes était rectiligne uniforme dans le jet et que leur combustion n'était pas complète lorsqu'elles sortaient du champ d'imagerie. Les vitesses calculées sont concordantes avec les vitesses mesurées pour des tailles de gouttes semblables. Les simulations ont aussi permis d'estimer l'influence de l'azote environnant sur la combustion des gouttes et de définir une région d'intérêt à privilégier pour l'analyse des images où son influence n'est pas critique. L'autre démarche consiste à confronter les images mesurées à des images simulées à partir des champs de température et de concentration des atomes Al calculés à l'aide d'un modèle de combustion de gouttes d'aluminium isolées en ambiance propergol solide développé à l'ONERA. De nouvelles expérimentations d'imagerie PLIF-Al en flammes de propergols solides jusqu'à 1,5 MPa ont été réalisées afin de perfectionner le contraste et les résolutions spatio-temporelles des images. Le couplage des imageries PLIF-Al et émission visible au moyen d'une caméra rapide a permis d'observer l'évolution des gouttes depuis la surface. Leur association permet d'enrichir les observations utiles aux méthodes d'analyses. Une simulation d'image PLIF-Al a été développée à partir des concentrations de vapeur d'aluminium et températures estimées à l'aide de simulations 2D stationnaires d'une goutte isolée en combustion dans les conditions expérimentales. La simulation LIF prend en compte l'absorption du laser et la réabsorption de la fluorescence par les atomes Al. Les images simulées ainsi obtenues ont montré une certaine concordance avec les images mesurées. Une première confrontation entre les deux est discutée, de laquelle découle des résultats prometteurs qui ouvrent des pistes futures de consolidation.

Résumé traduit

Solid rocket motors are used in the propulsion of space launchers such as Ariane 6. Aluminum is used as a flame catalyst to improve the engine's specific impulse. Its combustion forms alumina residues in the internal channel, generating pressure instabilities and two-phase flow losses. These can lead to the degradation of on-board systems. To understand them, we need to take better account of aluminum combustion in numerical flow simulation. Validation of aluminum combustion models requires experimental data representative of actual operating conditions on a solid rocket motor. However, obtaining such data using in situ diagnostics is difficult because of the very hostile environment. Thanks to new laser technologies coupled with fast detectors featuring high spatio-temporal resolution, this is now possible. ONERA has developed the method of laser-induced fluorescence imaging of the Al atom in the gas phase at high acquisition rates, applying it to small sample flames of solid aluminized propellants at 1.0 MPa.However, analysis of the fluorescence images obtained in this complex environment requires knowledge of the thermochemical data of the combustion products of the gaseous propellant in which the droplets evolve, in order to determine their influence on the intensity and shape of the fluorescence signal. In this thesis project, one of the scientific approaches taken to analyze the measured images was to implement a suitable automatic drop detection and tracking algorithm. Statistics on drop dynamics and on the evolution of the LIF signal in the flame were thus obtained. In order to estimate the thermodynamic conditions of the gaseous environment in which the combustion droplets evolve, three-dimensional stationary single-phase and unsteady multi-phase simulations of the combustion of a sample of solid aluminized propellant in a pressurized nitrogen medium were carried out. They showed that the droplet trajectory was uniformly rectilinear in the jet, and that combustion was not complete when the droplets left the imaging field. The calculated velocities are consistent with those measured for similar drop sizes. The simulations also enabled us to estimate the influence of the surrounding nitrogen on drop combustion, and to define a region of interest for image analysis where its influence is not critical.The other approach consists in comparing the measured images with images simulated on the basis of temperature and Al atom concentration fields calculated using a combustion model of isolated aluminum droplets in a solid propellant environment developed at ONERA. New PLIF-Al imaging experiments in solid propellant flames up to 1.5 MPa have been carried out to improve the contrast and spatio-temporal resolutions of the images. The coupling of PLIF-Al and visible emission imaging using a high-speed camera has enabled us to observe the evolution of droplets from the surface. The combination of these two images provides a richer set of observations for analysis methods.A PLIF-Al image simulation has been developed based on aluminum vapor concentrations and temperatures estimated using stationary 2D simulations of an isolated burning drop under experimental conditions. The LIF simulation takes into account laser absorption and fluorescence reabsorption by Al atoms. The simulated images thus obtained show a certain degree of agreement with the measured images. An initial comparison between the two is discussed, leading to promising results that open up future avenues of consolidation.