Cette thèse consiste à mettre en place un couplage externe aéro-thermo-mécanique, sur la base d'un schéma partitionné, entre les codes de recherche CEDRE (mécanique des fluides, volumes finis) et Z-set (modules indépendants pour la mécanique des structures et la thermique du solide, éléments finis). Les résultats numériques sont confrontés à ceux de l'expérience (une campagne de mesures a été menée dans le cadre de cette étude), dans le cas d'un problème complexe lié au domaine de l'aérospatial : l'interaction flamme-paroi. Ce phénomène est piloté par la thermique, à travers le flux de chaleur pariétal généré par la flamme. A cause de la disparité des temps caractéristiques thermiques entre les milieux fluide et solide, la partie aéro-thermique du couplage est traitée de façon simplifiée, en considérant le fluide comme une suite d'états stationnaires. L'échauffement de la plaque métallique provoque sa déformation (la loi de comportement mécanique du matériau est de type élasto-visco-plastique). Le déplacement de l'interface fluide-structure est propagé sur le maillage fluide. En se basant sur les similitudes entre jets non réactifs et réactifs (de type flamme) dans le cas de l'impact, des calculs couplés sont menés dans des configurations 2D et 3D de l'impact d'un jet chaud non réactif.

Dans un souci d’optimisation des fours industriels et de réduction des émissions de gaz à effet de serre,l’oxy-combustion est considérée comme l’une des solutions d’avenir. Les conditions existantes dans les chambres d’oxycombustion créent une interaction forte entre les différents phénomènes : Combustion,turbulence et transferts de chaleur. Pour mieux dimensionner les configurations futures il est nécessaire de pouvoir étudier la physique qui y règne, et ce pour un coût et un temps de retour raisonnables. De tels études nécessitent l’emploi d’outils de simulation de haute fidélité,et afin de modéliser les interactions inter-phénomènes à un coût acceptable le couplage de codes est utilisé. C’est avec cet objectif que les travaux présentés dans ce manuscrit se concentrent sur la mise au point d’une méthodologie de couplage entre codes d’écoulements réactifs et de transfert de chaleur dans les parois pour la réalisation de simulations de haute-fidélité massivement parallèles prédictives des chambres futures. / Oxycombustion is seen as one mean to attain the wished goals in terms of efficiency optimisation and Greenhouse Effect Gases emissions reduction for industrial furnaces. The extreme operating conditions, high pressure and temperature, lead to a strong interaction between the different phenomena which take place inside the combustion chambe r: Combustion, turbulence and heat transfer. To better design these futur oxyfuel processes, a mean to study the related physics with a reasonable computational cost and return time. Such studies require the use of high-fidelity numerical resolution tools, and in order to model the multi-physics interaction in a cost efficient way, code coupling. The operating conditions being extreme : High pressure and temperature, a strong interaction exists between the different phenomena occuring inside the chamber. To better understand the physics inside oxycombustion chambers,a multiphysics high-fidelity simulation methodology is developped.

De nos jours, la conception de moteurs à combustion interne à allumage commandé exige une consommation de carburant réduite et des émissions polluantes faibles, tout en conservant une performance adéquate. Le coût élevé des essais expérimentaux vient en faveur de l'utilisation de la simulation numérique pour l'évaluation de nouvelles définitions techniques. La modélisation phénoménologique zéro-dimensionnelle de combustion permet d'évaluer les différentes définitions techniques en tenant compte de différents aspects de de la combustion à allumage commandé comme la géométrie, la flamme laminaire et l'impact de la turbulence. Ces modèles calculent également la concentration des espèces de gaz d'échappement. Afin de créer un modèle de combustion, qui pourra décrire la physique de la combustion, les aspects principaux de la combustion pré-mélangée laminaire et turbulent sont identifiés. Trois versions de modèles de combustion typiques sont comparées en termes de description physique du processus de combustion. Le résultat de cette comparaison a indiqué le modèle le plus pertinent (le modèle de densité de surface de flamme). Ce modèle est retenu et il est complété avec la modélisation physique des plusieurs phénomènes qui affectent le taux de dégagement de chaleur. Ces phénomènes sont l’interaction flamme-paroi, les réactions post flamme et l’étirement de flamme. Enfin, le modèle proposé est validé pour plusieurs configurations techniques. Chaque configuration a un impact sur un paramètre spécifique de moteur. Cette analyse montre quels sont les intervalles de confiance et les limitations du modèle proposé. / Nowadays, the design of Spark Ignition internal combustion engines is focused on the reduction of fuel consumption and low pollutant emissions, while conserving an adequate output power. The high cost of experimental testing comes in favor of the use of numerical simulations for the assessment of engine technologies. Phenomenological Zero-Dimensional combustion models allow evaluating various technical concepts since they take into account various aspects of spark ignition combustion such as chamber geometry, laminar flame characteristics (thickness and speed) and the impact of turbulence. Such models also calculate species concentration of the exhaust gases. In order to create a zero-dimensional combustion model, which can be able to describe correctly the physics of combustion, the key aspects of laminar and turbulent premixed combustion are identified. Three versions of typical combustion models are compared in terms of physical description of the combustion process. The result of this comparison indicated the most physically pertinent mod-el (the Flame Surface Density model). This model is retained and is enhanced with physical modeling of the several phenomena, which affect the heat release rate. Those phenomena are the wall-flame interaction, post-flame reactions and flame stretch. Finally, the proposed model is validated for several engine configurations. Each configuration has an impact on a specific engine parameter. This analysis shows which are the confidence intervals and the limitations of the proposed model.

Ce travail de recherche s’intéresse au problème de la stabilisation de flammes, et du transfert de chaleur résultant, dans les moteurs fusées cryogéniques. La stabilisation de flamme dans un moteur fusée est un phénomène critique, et toute instabilité peut conduire à des dégâts importants, voire à la destruction du lanceur et des satellites embarqués. Les moteurs (Vulcain 2 et Vinci) qui équipent Ariane 5, et la future Ariane 6, utilisent le couple hydrogène / oxygène, dont la grande impulsion spécifique permet, en minimisant la masse des ergols par rapport à la masse de la charge, une meilleure performance du lanceur. Pour réduire le volume de stockage, les ergols sont refroidis à des températures très basses de l’ordre de quelques dizaines de Kelvin. Ils alimentent une flamme dont la température maximale peut atteindre 3500K, générant de très forts gradients de température dans le fluide, et des flux de chaleur extrêmes dans les parties solides de l’injecteur. Pour prédire les flux de chaleur entre la flamme, l’injecteur et les ergols froids, l’approche de Simulation aux Grandes Echelles (SGE), pour reproduire l’écoulement réactif turbulent instationnaire, est couplée au calcul de thermique du solide dans l’injecteur. Cette approche est d’abord validée par comparaison à une expérience en conditions ambiantes, menée au Laboratoire EM2C (Paris). L’interaction flamme-paroi en présence de transfert de chaleur, qui est un mécanisme de base de la stabilisation de flamme, est ensuite étudiée pour différents niveaux de pression. Finalement une configuration représentative d’un injecteur coaxial de moteur fusée est simulée pour étudier la structure et les mécanismes de stabilisation de la flamme, ainsi que les flux de chaleur reçus par l’injecteur, en vue d’évaluer la fatigue thermique du système. / This research work deals with the problem of the flame stabilization in the context of high pressure liquid rocket engines. Flame stabilization in a rocket engine is a critical feature. An instability can lead to important damages of the engine or the destruction of the launcher and the satellite. The engines (Vulcain 2 and Vinci) of the Ariane 5, and the future Ariane 6, use the hydrogen/oxygen propellants. One characteristic of this couple is its high specific impulse. The launcher performance is linked to the ratio of the payload to the total mass of propellants. For volume reasons the propellants are stored at low temperature of the order of a few tens of Kelvin. When injected in the combustion chamber, their combustion releases a huge amount of heat leading to temperature of 3500K. In order to predict the heat transfer between the flame, the solid injector and the cold propellants the Large Eddy Simulation, which allows to capture the unsteady features of the flow, is used in association with a thermal solver for the injector. This approach is validated with a low pressure experiment conducted at Centrale Paris, then a basic 1D configuration allows to understand the phenomena of high pressure flame-wall interaction. Finally a configuration representative of a coaxial rocket engine injector allows to evaluate the structure and the stabilization mechanisms of a cryogenic flame, the heat flux and the temperature of the injector.

Cette thèse consiste à mettre en place un couplage externe aéro-thermo-mécanique, sur la base d'un schéma partitionné, entre les codes de recherche CEDRE (mécanique des fluides, volumes finis) et Z-set (modules indépendants pour la mécanique des structures et la thermique du solide, éléments finis). Les résultats numériques sont confrontés à ceux de l'expérience (une campagne de mesures a été menée dans le cadre de cette étude), dans le cas d'un problème complexe lié au domaine de l'aérospatial : l'interaction flamme-paroi. Ce phénomène est piloté par la thermique, à travers le flux de chaleur pariétal généré par la flamme. A cause de la disparité des temps caractéristiques thermiques entre les milieux fluide et solide, la partie aéro-thermique du couplage est traitée de façon simplifiée, en considérant le fluide comme une suite d'états stationnaires. L'échauffement de la plaque métallique provoque sa déformation (la loi de comportement mécanique du matériau est de type élasto-visco-plastique). Le déplacement de l'interface fluide-structure est propagé sur le maillage fluide. En se basant sur les similitudes entre jets non réactifs et réactifs (de type flamme) dans le cas de l'impact, des calculs couplés sont menés dans des configurations 2D et 3D de l'impact d'un jet chaud non réactif. / This thesis consists in setting up an external fluid-thermal-structural coupling, based on a partitionned scheme, between the research codes CEDRE (fluid mechanics, finite volumes) and Z-set (independent solvers for structural mechanics and heat transfer through the solid). The numerical results are compared with experimental data, to study a complex problem related to the aerospace certification process: the flame-wall interaction. This phenomenon is is driven by the heat flux generated by the flame close to the wall. Because of the disparity of thermal characteristic times between the fluid and the solid, the aero-thermal part of the coupling is simplified by considering the fluid as a sequence of steady states. The heating of the metallic plate causes its deformation (the material has a viscoplastic behavior). The displacement of the fluid-structure interface is propagated through the fluid mesh. Based on similitudes between impinging reacting jets (flames) and non-reacting jets, coupled computations are performed in 2D and 3D configurations with an equivalent non-reacting hot jet.