Dans le but d’améliorer le rendement des propulseurs aérospatiaux, on s’intéresse à l’utilisation de ladétonation dans le cycle moteur. Cette thèse porte sur le développement et l’utilisation d’un codepour la compréhension du fonctionnement d’un moteur à détonation continue (CDWE). Le 1erchapitre place le cadre de l’étude, et positionne le CDWE par rapport à différents concepts demoteurs à détonation. Un état des lieux des simulations numériques concernant le fonctionnementd’un CDWE est établi afin de justifier l’approche numérique à utiliser. Cette approche numérique estdétaillée dans le 2e chapitre. Les équations d’Euler, les modèles thermochimiques, ainsi que lesschémas cinétiques utilisés dans cette étude y sont présentés. Le 3e chapitre décrit les méthodesnumériques implémentées dans le code. Le schéma WENO d’ordre 5 est utilisé pour l’évaluation desflux numériques. L’avancement temporel est assuré par le schéma semi-implicite d’ordre 2 ASIRK2Cou explicite d’ordre 3 RK3. Le 4e chapitre est consacré à la technique de raffinement adaptatif demaillage (AMR) et à la bibliothèque choisie. Le code est testé dans le 5e chapitre sur différents cas etappliqué à la simulation d’une onde de détonation afin de préparer les simulations présentées dans ledernier chapitre. Le 6e chapitre présente les résultats des simulations d’un CDWE. La structure 2Dd’une onde de détonation continue est présentée et comparée avec la structure 3D. L’influence durayon de courbure du canal et l’effet d’une injection par une fente sur la structure de l’écoulementsont étudiés. / In order to improve the performance of aerospace propulsion systems, it is interesting to use detonation in the engine cycle. This thesis focuses on the development and use of a code for understanding the operation of a continuous detonation wave engine (CDWE). The first chapter establishes the framework of the study and compares the CDWE with different concepts of detonation engines. An overview of numerical simulations concerning the operation of a CDWE is made to justify the numerical approach to use. This numerical approach is detailed in the second chapter. The Euler equations, thermochemical models and kinetic mechanisms used in this study are presented. The third chapter describes the numerical methods implemented in the code. The 5th order WENO scheme is used for the evaluation of numerical fluxes. The time-stepping is provided by the 2nd order semi-implicit ASIRK2C scheme or the 3rd order explicit RK3 scheme. The fourth chapter describes the technique of adaptive mesh refinement (AMR) and the selected library. The code is tested in the fifth chapter on different cases and applied to the simulation of a detonation wave in order to prepare the simulations presented in the last chapter. The sixth chapter presents the results of simulations of a CDWE. The 2D structure of a continuous detonation wave is presented and compared with the 3D structure. The influence of the radius of the curvature of the duct and the effect of a slot injection on the structure of the flowfield are discussed.

Dans le but d'améliorer le rendement des propulseurs aérospatiaux, on s'intéresse à l'utilisation de ladétonation dans le cycle moteur. Cette thèse porte sur le développement et l'utilisation d'un codepour la compréhension du fonctionnement d'un moteur à détonation continue (CDWE). Le 1erchapitre place le cadre de l'étude, et positionne le CDWE par rapport à différents concepts demoteurs à détonation. Un état des lieux des simulations numériques concernant le fonctionnementd'un CDWE est établi afin de justifier l'approche numérique à utiliser. Cette approche numérique estdétaillée dans le 2e chapitre. Les équations d'Euler, les modèles thermochimiques, ainsi que lesschémas cinétiques utilisés dans cette étude y sont présentés. Le 3e chapitre décrit les méthodesnumériques implémentées dans le code. Le schéma WENO d'ordre 5 est utilisé pour l'évaluation desflux numériques. L'avancement temporel est assuré par le schéma semi-implicite d'ordre 2 ASIRK2Cou explicite d'ordre 3 RK3. Le 4e chapitre est consacré à la technique de raffinement adaptatif demaillage (AMR) et à la bibliothèque choisie. Le code est testé dans le 5e chapitre sur différents cas etappliqué à la simulation d'une onde de détonation afin de préparer les simulations présentées dans ledernier chapitre. Le 6e chapitre présente les résultats des simulations d'un CDWE. La structure 2Dd'une onde de détonation continue est présentée et comparée avec la structure 3D. L'influence durayon de courbure du canal et l'effet d'une injection par une fente sur la structure de l'écoulementsont étudiés.

L'approximation isobare du système d'équations de bilan de masse, de quantité de mouvement, d'énergie et des espèces chimiques est une approximation appropriée pour représenter les écoulements réactifs à faible nombre de Mach. Dans cette approximation, qui néglige les phénomènes acoustiques, le mélange est hydrodynamiquement incompressible et les effets thermodynamiques conduisent à une compression uniforme du système. Nous présentons une nouvelle méthode numérique pour cette approximation. Une méthode de projection incrémentale, qui utilise la forme originale du bilan de masse, assure la discrétisation temporelle des équations de Navier-Stokes. La discrétisation spatiale est réalisée avec une méthode de volumes finis sur un maillage décalé de type MAC. Un schéma de décentrement d'ordre élevé est utilisé pour les flux convectifs. Nous associons à cette discrétisation, une méthode de raffinement local multi-niveaux, basée sur l'approche de Correction de Flux à l'Interface. Une première application concerne un écoulement forcé avec masse volumique variable donnée, imitant un problème de combustion. La deuxième application est le problème de convection naturelle, tout d'abord pour de faibles variations de température puis au-delà de la limite de validité de l'approximation de Boussinesq. Enfin, la troisième application est une flamme de diffusion laminaire. Pour chacun de ces cas-test, nous montrons la robustesse de la méthode numérique proposée, notamment vis à vis des variations de masse volumique. Et nous analysons le gain en précision obtenu par la méthode de raffinement local multi-niveaux.

Ce travail est consacré à l'étude de la propagation et de la structure des flammes dans le cas des écoulements turbulents diphasiques. Pour cela, un code de simulation numérique directe (DNS) est utilisé. Les équations et le modèle chimique employés dans le code de DNS sont tout d'abord présentés. Ensuite, une étude des flammes diphasiques laminaires est réalisée. Dans un premier temps, une étude analytique portant sur la dynamique d'évaporation des gouttes est proposée. L'influence importante sur le mode de combustion du rapport entre le temps de préchauffage de la goutte et le temps d'évaporation, est mise en évidence. La simulation de la propagation d'une flamme au sein d'un nuage de gouttes est réalisée et un comportement de flamme pulsée est abordée. Une étude de ces flammes en fonction de la topologie du combustible liquide nous a permis de montrer qu'elles avaient une structure de flamme double composée d'une flamme de prémélange suivie d'une flamme de diffusion. L'étude des flammes turbulentes diphasiques fait l'objet de notre dernière étude. Des DNS de l'injection de sprays monodisperses sont effectuées en variant les paramètres d'injection de la phase liquide (densité, rapport d'équivalence). La base de données obtenue nous permet de décrire les régimes de flamme locaux et globaux apparaissant dans la combustion de sprays, et qui sont répertoriés en quatre familles principales : régime externe ouvert et fermé, combustion de groupe et combustion mixte. Enfin, un diagramme de combustion est développé, impliquant le temps d'évaporation des gouttes, la distance inter-gouttes ou inter-groupes de gouttes, et enfin le rapport d'équivalence injecté.

Le développement des technologies propulsives requiert la maîtrise de la régulation de poussée et parfois du refroidissement (propulsion hybride et hypersonique). Cet aspect de contrôle ne peut être abordé qu'après avoir développé une compréhension détaillée des phénomènes couplés mis en jeu (thermique, fluidique, cinétique chimique). La priorité est de proposer des moyens qui soient complémentaires entre eux (bancs d'essais, moyens de mesure, outils numériques) afin d'apporter de nouvelles connaissances scientifiques qui soient transposables à l'industrie. L'ensemble du travail mené dans cette optique est présenté ici en détaillant les applications visées. Ensuite, les similitudes identifiées entre celles-ci (couplage entre pyrolyse du carburant et combustion des produits, pilotage des phénomènes par la chimie) permettent de proposer une démarche globale de recherche portée par l'étude de certains verrous. Les connaissances ainsi développées sont assez larges pour être appliquées à d'autres systèmes, comme l'endommagement au feu des réservoirs de carburant en composite.