Cette recherche se focalise sur les problèmes d’instabilités de combustion hautes fréquences dans les moteurs fusées. Ces instabilités sont connues pour avoir des effets néfastes et peuvent, dans certains cas, causer la destruction du système propulsif. Pour éviter l’apparition de ces instabilités, il est important de connaître les mécanismes qui entretiennent ces phénomènes dynamiques et de comprendre le couplage complexe entre l’injection, la combustion et la résonnance acoustique du système. Ce travail comprend trois parties.La première partie traite de la simulation numérique de jets non-réactifs et réactifs soumis à différentes conditions de modulation afin de comprendre les interactions entre les jets, les flammes et leur environnement. Les calculs numériques de jets ronds non-réactifs ainsi que des flammes plus complexes formées par des injecteurs coaxiaux dans des conditions transcritiques ont été effectuées avec des simulations aux grandes échelles (SGE), adaptées aux conditions gaz réels à l’aide du solveur AVBP-RG. Les jets ronds ont été soumis à des fluctuations de vitesse transverse. Il a été trouvé que pour toutes les amplitudes et fréquences de modulation, le jet est déformé et oscille dans la direction transverse. Ce comportement peut être représenté par un modèle. Les flammes coaxiales ont été soumises à une modulation de débit et de pression. La modulation induit des variations du dégagement de chaleur global. Un modèle mathématique reliant les paramètres modulés au dégagement de chaleur est proposé.La seconde partie contient les travaux expérimentaux. Dans ce cadre, un nouveau banc expérimental a été développé pour l’étude de cavités couplées pressurisées (NPCC). Le couplage entre le plénum (ou dôme) et la chambre a été étudié. Un modèle reliant les fluctuations de pression et de vitesse en sortie des injecteurs a été développé et comparés aux données d’essais. Le banc NPCC a aussi été utilisé pour acquérir plus de connaissances sur le niveau d’amortissement. Les coefficients d’amortissement ont été déterminés.La dernière partie de ce document traite du développement d’un modèle ordre réduit qui représente des mécanismes qui entretiennent et amortissent les instabilités de combustion hautes fréquences. Cette description dynamique a été incorporée dans un code de stabilité haute fréquence (STAHF). Ce code a été utilisé pour étudier un moteur à ergols liquides d’une puissance de 87 MW (le banc BKD du DLR en Allemagne) qui présente des instabilités hautes fréquences. Après le recalage de certains paramètres de contrôle, STAHF a été capable de retrouver des résultats obtenus d’essais au DLR. / This research concerns some of the issues raised by high frequency combustion instabilities in rocket engines. These instabilities are known to have detrimental effects leading, in some cases, to the destruction of the propulsion system. To avoid the appearance of such instabilities it is important to gain an understanding of the processes driving such dynamical phenomena. One has to consider the complex coupling between injection, combustion and the acoustic resonances of the system. The present work contributes to this objective by developing three items.The first deals with numerical simulations of non-reactive and reactive jets submitted to different modulation conditions to understand the interaction between jets, flames and their environment. Numerical simulations of non-reactive round jets as well as more complex flames formed by coaxial injectors operating under transcritical conditions were carried out using large eddy simulation (LES) adapted to real gas situations by making use of the AVBP-RG flow solver. Round jets were submitted to transverse velocity fluctuations. It has been found that for all amplitudes and frequencies of modulation, the modulated jet is deformed and oscillates. This behavior can be represented by a model. The coaxial flames were submitted to mass flow rate and pressure modulation. For these cases it has been found that the modulation induces variations of the global heat release rate. A mathematical relationship between the modulated parameters and the heat release rate has been proposed.The second item includes experimental investigations. For this purpose a New Pressurized Coupled Cavities (NPCC) laboratory test rig has been developed. The possible coupling between the plenum and the thrust chamber was studied. A model, linking pressure and velocity fluctuations between the plenum and the thrust chamber, has been developed. The laboratory test rig was also used to gather some knowledge on the levels of damping and the damping coefficients could be determined.The last item of this document deals with the development of a reduced order dynamical model which includes some of the driving and damping mechanisms of high frequency combustion instabilities. This dynamical description was implemented in a high frequency stability code (STAHF). This code was used to examine a 87 MW liquid rocket engine (BKD operated at DLR, Germany) exhibiting high frequency oscillations. After the adjustment of some control parameters, STAHF was able to retrieve some the features observed in experiments carried out at DLR.

Le concept du moteur à détonation continue, ici appliqué à la propulsion spatiale, est basé sur la détonation entretenue dans une chambre annulaire par une arrivée continue de mélange réactif devant elle. Un dispositif expérimental a été conçu pour caractériser ses performances propulsives à pression atmosphérique ou sub-atmosphérique. Des blocages ou tuyères peuvent être adaptés à la section d'éjection du moteur pour en augmenter les performances. L'observation des phénomènes physiques liés à la détonation rotative a nécessité une métrologie et des caméras rapides. Les performances sont évaluées sur la base de mesures de poussée. La température de paroi et les vibrations sont également mesurées.<br /><br />Les observations expérimentales montrent l'existence d'un régime de fronts réactifs continus. Les études paramétriques sur le fonctionnement et la géométrie du moteur mettent en évidence la constance de ce régime de fronts. Leur nombre, constant en phase stationnaire, est généralement compris entre 1 et 8 selon les conditions d'essai, leur célérité évolue peu entre 1000 et 1300 m/s et le rapport de pression à travers les fronts est proche de 2 ou 3. Les caractéristiques de ce régime (pression, célérité) sont nettement inférieures aux propriétés des détonations Chapman – Jouguet principalement car le brassage du mélange frais avec les gaz brûlés dégrade ses propriétés réactives. La faisabilité du moteur à détonation continue a été démontrée mais ses performances devront faire l'objet d'autres études pour en préciser l'intérêt en propulsion.

La combustion cryogénique dans les moteurs de fusée dits à propulsion liquide utilise généralement un couple d'ergols, le plus couramment composé d'hydrogène/oxygène (H2/O2). Privilégiée pour le fort pouvoir calorifique du dihydrogène, cette combustion à haute pression, induit des températures de fonctionnement très élevées et nécessite l'intégration d'un système de refroidissement. La prédiction des flux thermiques aux parois est donc un élément essentiel de la conception d'une chambre de combustion de moteur fusée. Ces flux sont le résultat d'écoulements fortement turbulents, compressibles, avec une cinétique chimique violente induisant de forts gradients d'espèces et de température. La simulation de ces phénomènes nécessite des approches spécifiques telles que la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) qui réalise un très bon compromis entre précision et coût de calcul. Cette thèse a ainsi pour objectif la simulation par SGE des transferts de chaleur aux parois dans les chambres de combustion de moteurs fusée opérant en régime sous-critique. Le régime sous-critique implique un état liquide pour un des ergols, dont il faut traiter l'injection et l'atomisation. Dans un premier temps ce travail s'intéresse à plusieurs éléments de modélisation nécessaire pour réaliser les simulations visées. Le comportement des flammes H2/O2 est décrit par un schéma cinétique réduit et validé sur des configurations académiques. La prédictivité de ce schéma est évaluée sur une large gamme de fonctionnement dans des conditions représentatives des moteurs fusée. La simulation de l'injection de l'oxygène liquide (LOx) est un autre point critique qui nécessite de décrire l'atomisation et la phase dispersée ainsi que son couplage avec la phase gazeuse. La déstabilisation et l'atomisation primaire du jet liquide, trop complexe à simuler en SGE 3D, sont omises ici pour injecter directement un spray paramétré grâce à des corrélations empiriques. Enfin, la prédiction des flux thermiques utilise un modèle de loi de paroi spécifiquement dédiée aux écoulements à fort gradient de température. Cette loi de paroi est validée sur des configurations de canaux turbulents par comparaison avec des simulations avec résolution directe de la couche limite. La méthodologie basée sur les modèles développés est ensuite employée pour la simulation d'une chambre de combustion représentative du fonctionnement des moteurs cryogéniques. Il s'agit de la configuration CONFORTH testée sur le banc MASCOTTE (ONERA) et pour laquelle des mesures de température de paroi et de flux thermiques sont disponibles. Les résultats des SGE montrent un bon accord avec l'expérience et démontrent la capacité de la SGE à prédire les flux thermiques dans une chambre de combustion de moteur fusée. Enfin, dans un dernier chapitre ce travail s'intéresse à une méthode d'augmentation des transferts thermiques via une expérience de JAXA utilisant des parois rainurées dans la direction axiale. Par comparaison avec une chambre à parois lisses, les résultats démontrent la bonne prédiction par la SGE de l'augmentation du flux de chaleur grâce aux rainures et confirment la validité de la méthode développée pour des géométries de paroi complexes. / Combustion in cryogenic engines is a complex phenomenon, involving either liquid or supercritical fluids at high pressure, strong and fast oxidation chemistry, and high turbulence intensity. Due to extreme operating conditions, a particularly critical issue in rocket engine is wall heat transfer which requires efficient cooling of the combustor walls. The concern goes beyond material resistance: heat fluxes extracted through the chamber walls may be reused to reduce ergol mass or increase the power of the engine. In expander-type engine cycle, this is even more important since the heat extracted by the cooling system is used to drive the turbo-pumps that feed the chamber in fuel and oxidizer. The design of rocket combustors requires therefore an accurate prediction of wall heat flux. To understand and control the physics at play in such combustor, the Large Eddy Simulation (LES) approach is an efficient and reliable numerical tool. In this thesis work, the objective is to predict wall fluxes in a subcritical rocket engine configuration by means of LES. In such condition, ergols may be in their liquid state and it is necessary to model liquid jet atomization, dispersion and evaporation.The physics that have to be treated in such engine are: highly turbulent reactive flow, liquid jet atomization, fast and strong kinetic chemistry and finally important wall heat fluxes. This work first focuses on several modeling aspects that are needed to perform the target simulations. H2/O2 flames are driven by a very fast chemistry, modeled with a reduced mechanism validated on academic configurations for a large range of operating conditions in laminar pre- mixed and non-premixed flames. To form the spray issued from the atomization of liquid oxygen (LOx) an injection model is proposed based on empirical correlations. Finally, a wall law is employed to recover the wall fluxes without resolving directly the boundary layer. It has been specifically developed for important temperature gradients at the wall and validated on turbulent channel configurations by comparison with wall resolved LES. The above models are then applied first to the simulation of the CONFORTH sub-scale thrust chamber. This configuration studied on the MASCOTTE test facility (ONERA) has been measured in terms of wall temperature and heat flux. The LES shows a good agreement compared to experiment, which demonstrates the capability of LES to predict heat fluxes in rocket combustion chambers. Finally, the JAXA experiment conducted at JAXA/Kakuda space center to observe heat transfer enhancement brought by longitudinal ribs along the chamber inner walls is also simulated with the same methodology. Temperature and wall fluxes measured with smooth walls and ribbed walls are well recovered by LES. This confirms that the LES methodology proposed in this work is able to handle wall fluxes in complex geometries for rocket operating conditions.

Cette thèse présente une extension de l'approche stochastique de l'atomisation primaire de type air assisté près d'un injecteur. Cette approche avait déjà été introduite dans les publications de Gorokhovski et al. Dans le cadre de la simulation des grandes échelles, la zone d'atomisation primaire est simulée comme un corps immergé avec une structure stochastique. Ce dernier est défini par la simulation stochastique de la position et de la courbure de l'interface entre le liquide et le gaz. La simulation de la position de l'interface est basée sur l'hypothèse de symétrie d'échelle pour la fragmentation. La normale extérieure à l'interface est modélisée en supposant une relaxation statistique vers l'isotropie. Les statistiques de la force du corps immergé servent de conditions aux limites pour le champ de vitesse issu de la LES ainsi que pour la production des gouttes de l'atomisation primaire. Celles-ci sont ensuite transportées par une approche lagrangienne. Les collisions entre les gouttes dans la zone d'atomisation primaire sont prises en compte par analogie avec l'approche standard de la théorie cinétique des gaz. Une fermeture est proposée pour la température statistique des gouttelettes. Cette approche est validée par des comparaisons avec les mesures expérimentales de la thèse de Hong. Les résultats numériques pour la vitesse et de la taille des gouttes dans le spray à différentes distances du centre du jet et de l'orifice de la buse sont relativement proches des résultats expérimentaux. Différentes conditions d'entrée pour la vitesse sont testées et comparées aux résultats expérimentaux. Par ailleurs, le rôle spécifique de la zone de recirculation devant le dard liquide est soulignée par le battement du dard liquide et la production de gouttelettes. / This thesis introduced an extension to stochastic approach for simulation of air-blast atomization closely to injector. This approach was previously proposed in publications of Gorokhovski with his PHD students. Our extension of this approach is as follows. In the framework of LES approach, the contribution of primary atomization zone is simulated as an immersed solid body with stochastic structure. The last one is defined by stochastic simulation of position-and-curvature of interface between the liquid and the gas. As it was done previously in this approach, the simulation of the interface position was based on statistical universalities of fragmentation under scaling symmetry. Additionally to this, we simulate the outwards normal to the interface, assuming its stochastic relaxation to isotropy along with propagation of spray in the down-stream direction. In this approach, the statistics of immersed body force plays role of boundary condition for LES velocity field, as well as for production of primary blobs, which are then tracked in the Lagrangian way. In this thesis, the inter-particle collisions in the primary atomisation zone are accounted also by analogy with standard kinetic approach for the ideal gas. The closure is proposed for the statistical temperature of droplets. The approach was assessed by comparison with measurements of Hong in his PHD. The results of computation showed that predicted statistics of the velocity and of the size in the spray at different distances from the center plane, at different distances from the nozzle orifice, at different inlet conditions (different gas velocity at constant gas-to-liquid momentum ratio, different gas-to-liquid momentum ratio) are relatively close to measurements. Besides, the specific role of recirculation zone in front of the liquid core was emphasized in the flapping of the liquid core and in the droplets production.

Cette thèse a pour objectif de démontrer l'intérêt des outils de diagnostic "intelligents" pour application sur les moteurs de fusée. En Europe beaucoup d'efforts ont été faits pour développer quelques techniques innovantes comme les réseaux neuronaux, les méthodes de suivi de raie vibratoire, ou l'identification paramétrique mais peu de résultats sont disponibles quant à la comparaison des performances de différents algorithmes. Un deuxième objectif de la thèse a été celui d'améliorer le système de diagnostic du banc d'essai Mascotte (ONERA/CNES). Il s'agit d'un banc de démonstration pour les moteurs de fusée de type cryogénique représentatif des conditions d'utilisation d'un vrai moteur. Les étapes de la thèse ont été en premier lieu de choisir et d'évaluer des méthodes de diagnostic à base de modèles, en particulier l'identification paramétrique et le filtre de Kalman, et de les appliquer pour le diagnostic d'un système critique du banc Mascotte: le circuit de refroidissement. Après une première validation des nouveaux algorithmes sur des données d'essais disponibles, un benchmark fonctionnel a été mis en place pour pouvoir comparer les performances des algorithmes sur différents types de cas de panne simulés. La dernière étape consiste à intégrer les algorithmes sur les ordinateurs du banc de contrôle de Mascotte pour pouvoir effectuer une évaluation applicative des performances et de leur intégrabilité à l'environnement informatique déjà en place. Un exemple simple de boucle de régulation intégrant l’information du diagnostic est aussi étudié pour analyser l’importance de telles méthodes dans le contexte plus large d’une régulation « intelligente » du banc. / The main objective of this work is to demonstrate and analyze the potential benefits of advanced real time algorithms for rocket engines monitoring and diagnosis. In the last two decades in Europe many research efforts have been devoted to the development of specific diagnostic technics such as neural networks, vibration analysis or parameter identification but few results are available concerning algorithms comparison and diagnosis performances analysis.Another major objective of this work has been the improvement of the monitoring system of the Mascotte test bench (ONERA/CNES). This is a cryogenic test facility based in ONERA Palaiseau used to perform analysis of cryogenic combustion and nozzle expansion behavior representative of real rocket engine operations.The first step of the work was the selection of a critical system of the bench, the water cooling circuit, and then the analysis of the possible model based technics for diagnostic such as parameter identification and Kalman filters.Three new algorithms were developed, after a preliminary validation based on real test data, they were thoroughly analyzed via a functional benchmark with representative failure cases.The last part of the work consisted in the integration of the diagnosis algorithms on the bench computer environment in order to prepare a set-up for a future real time application.A simple closed loop architecture based on the new diagnostic tools has been studied in order to assess the potential of the new methods for future application in the context of intelligent bench control strategies.

Ce rapport de thèse porte sur une étude expérimentale et théorique de l'ébullition en microgravité. Les expériences furent réalisées en condition de gravité terrestre, en vol parabolique et en fusée-sonde. Les expériences en vol parabolique ont montré l'influence de divers paramètres sur le transfert thermique et ont mis en évidence les mécanismes contrôlant le transfert thermique. De l'écriture des équations gouvernant ces mécanismes et de l'identification des échelles caractéristiques, une corrélation permettant d'estimer le transfert de chaleur lors de l'ébullition en microgravité pour une large gamme de fluide est bâtie. L'expérience en fusée-sonde a permis d'étudier l'influence des gaz incondensables et notamment de la convection Marangoni sur le comportement de l'ébullition et sur le transfert thermique. / Between the different propulsion phases, the Ariane V rocket passes through microgravity periods and solar radiation can induce boiling in its cryogenics tanks. Experiments were performed during 6 parabolic flights and in a sounding rocket to study pool boiling in microgravity. In the parabolic flight experiments, the influence of pressure, subcooling and surface roughness was studied. It is showed that subcooling has a weak effect on microgravity boiling heat transfer, and that roughness is an important factor also in microgravity. Detailed results on the behavior of bubbles and on the superheated liquid layer show that the heat transfer mechanisms can be divided in two groups : the primary mechanisms which directly take energy from the wall and the secondary mechanisms which transport the energy stored in the fluid by the primary mechanisms, from the vicinity of the wall to the bulk liquid. The secondary mechanisms appear not to limit primary mechanism heat transfer which explains the weak influence of gravity on heat transfer. From the study of equations governing primary mechanisms and the definition of new scales, a correlation is built to predict heat transfer in microgravity for a wide variety of fluids. In the sounding rocket experiment, the influence of non-condensable gases was studied. The existence of two regimes of boiling heat transfer with non-condensable gas is established. The temperature in the primary bubble is directly measured and the influences of both Marangoni convection and non-condensable gas on both heat transfer and bubble growth are also considered.