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Thèse marie-Charlotte Gauffre 12 Juillet

4 juillet 2013

Simulation numérique des écoulements diphasiques 3D instationnaires au cours du remplissage d’une maquette expérimentale eau / air du dôme LOX d’un moteur-fusée

Marie-Charlotte Gauffre, Vendredi 12 juillet à 14h30, Amphithéâtre Nougaro

Résumé :
Le nouveau moteur cryogénique de l’étage supérieur du lanceur Ariane présente la particularité d’être plusieurs fois réallumable, une fois la mise en orbite du lanceur. Le réallumage d’un moteur est particulièrement difficile durant les conditions de vol spatial. Ce moteur est composé d’un dôme LOX alimenté en oxygène liquide (LOX) qui est approvisionné par une vanne à boisseau positionnée en entrée d’une canne d’alimentation. Le mélange liquide / gaz formé dans le dôme LOX est injecté dans la chambre de combustion à travers une centaine d’injecteurs reliant le dôme à la chambre. En conséquence, la distribution de l’écoulement diphasique en sortie des injecteurs revêt une importance particulière en terme d’allumage, de l’ouverture à la fermeture de cette vanne. La prise en compte de ces conditions de vol est primordiale pour qualifier le moteur. Cependant ces conditions ne peuvent pas être reproduites de façon représentative au cours d’essais au sol.

Dans le cadre de ces études, un programme de recherche a été mis en place par le CNES (Centre National d’Études Spatiales) et SAFRAN Snecma pour étudier le remplissage du dôme LOX, via des études expérimentales et numériques. L’objectif est de connaître les conditions aux limites en sortie des injecteurs qui sont déterminantes pour appréhender la phase d’allumage dans la chambre de combustion.

Des expériences ont été menées au LEGI (Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels) avec des fluides de substitution (de l’eau et de l’air), sans transfert de masse et de chaleur, sur la maquette du dôme d’alimentation d’un moteur de fusée. Les travaux présentés, menés à l’IMFT (Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse), tentent de reproduire les expériences réalisées à l’aide de simulations numériques 3D incompressibles diphasiques. La géométrie du domaine de calcul est représentative de la maquette expérimentale, qui est composée d’une canne d’alimentation, d’un dôme, d’un allumeur et d’une centaine d’injecteurs. Le but de cette étude est de démontrer la faisabilité d’un calcul 3D instationnaire diphasique du remplissage du dôme oxygène du moteur-fusée avec le code industriel NEPTUNE_CFD, en prenant en compte la géométrie réelle et les phénomènes physiques prépondérants. La comparaison des prédictions avec les résultats expérimentaux est réalisée afin d’évaluer la capacité du code à prédire l’écoulement à l’aide des modèles de fermeture disponibles. Enfin, plusieurs études de sensibilité sur les modèles de fermeture sont menées pour estimer leur influence sur les résultats des simulations. Un travail important a été effectué pour imposer les mêmes conditions d’entrée que dans les expériences. Des études ont également été conduites sur un injecteur isolé.

Jury :

  • Pierre BOIVIN
  • Roland BORGHI
  • Alain CARTELLIER
  • François-Xavier DEMOUILIN
  • Namane MÉCHITOUA
  • Stéphane PETITOT
  • Olivier SIMONIN (Directeur de thèse)
  • Stéphane VINCENT

    Thèse INPT