L'objectif général de cette recherche est de contribuer à la compréhension des mécanismes fondamentaux conduisant à des instabilités de combustion dans les moteurs fusées à propulsion liquides.<br />Le processus implique un couplage fort entre la combustion et les modes acoustiques transverses de la chambre. Le problème est analysé au moyen d'une combinaison d'outils expérimentaux, numériques et de modélisation. <br />Les expériences sont réalisées sur une chambre équipée de plusieurs injecteurs coaxiaux placés en ligne et alimentés en oxygène liquide et méthane gazeux. On recrée ainsi au moins partiellement les conditions qui prévalent dans les moteurs fusées.<br />Le système a été conçu pour permettre une nette séparation entre les fréquences des modes longitudinaux et transverses. Le foyer est équipé de hublots donnant un accès optique à la zone de flamme et de capteurs de pression détectant les fluctuations de cette variable dans la chambre et dans le circuit d'alimentation en ergols. Un modulateur comportant une roue dentée tournant à grande vitesse et bloquant de façon périodique une tuyère auxiliaire permet d'injecter des perturbations acoustiques dans le système.<br />Des méthodes d'imagerie numérique sont utilisées pour examiner la dynamique des flammes. Des essais systèmatiques ont été réalisés à basse (0.9 MPa), moyenne (3 MPa) et haute pression (6 MPa) pour déterminer les conditions dans lesquelles la flamme est la plus sensible aux modulations acoustiques transverses. Un niveau de réponse remarquable a été observé dans les expériences à basse pression. Le niveau d'oscillation était dans ce cas de 8\% de la pression moyenne. La flamme est fortement modifiée lorsque le couplage est réalisé avec le premier mode acoustique transverse, son taux d'expansion est augmenté et la luminosité s'accroît sensiblement. La vitesse de convection des structures émissives observées par caméra rapide montre une réduction assez surprenante. Les relations de phase établies entre les preturbations de pression et de dégagement de chaleur dans la chambre montrent que ces deux quantités sont caractérisées par des distributions spatiales assez semblables. Les essais à pression intermédiaire réalisés avec un nouveau dispositif comportant 5 injecteurs induisant un dégagement de chaleur plus important montrent que la résonance est moins marquée, un phénomène qui est lié à un niveau de fluctuations de température plus élévé dans les nouvelles conditions de ces essais. Des expériences sont menées à froid par injection d'oxygène liquide et d'azote gazeux pour examiner le mouvement induit par une excitation acoustique transverse. Ces expériences sont complétées par des calculs numériques réalisés dans le cadre des simulations aux grandes échelles (SGE). Ces méthodes sont utilisées pour analyser le mouvement de jets coaxiaux en présence d'une modulation acoustique transverse imposée dans le domaine de calcul. L'oscillation induit un mouvement collectif et le mélange est intensifié.<br />Un modèle est développé pour le taux de réaction filtré permettant une description des flammes non prémélangées contrôlant la combustion cryotechnique. Des calculs initiaux sont effectués dans une configuration réaliste d'injecteurs multiples, alimentés en ergols gazeux. <br />Deux problèmes sont envisagés au niveau de la modélisation. Le premier traite de la relation entre les fluctuations de dégagement de chaleur et les perturbations de vitesse transverses. Une expression est proposée qui dépend de ces perturbations et du signe du gradient de vitesse transverse. Les conséquences de ce modèle sont examinées et il est notamment montré que l'on peut retrouver la structure du dégagement de chaleur observée dans des travaux antérieurs. <br />Le second modèle traite de l'influence de fluctuations de température sur les caractéristiques de résonance d'un système. La simulation directe et une analyse fondée sur la méthode des moyennes indique que l'amplitude de la résonance et la finesse de la réponse sont diminuées en présence de fluctuations, un phénomène qui semble avoir été négligé mais qui peut avoir des conséquences pratiques.<br />Les connaissances acquises dans ces études peuvent servir de guide à des développements de méthodes de calcul destinées à prévoir les instabilités. Elles peuvent aussi servir à développer des méthodes de conception permettant d'éviter le phénomène.

Cette thèse présente une étude des instabilités haute-fréquence dans les moteurs-fusées. Ce phénomène, qui a posé de nombreux problèmes dans les programmes de développement de moteur, est abordé de trois façons complémentaires : expérimentalement, théoriquement et numériquement. Premièrement, des expériences sont menées afin d’identifier les principaux processus et d’apporter les mécanismes ayant lieu lorsque le moteur devient instable. Pour parvenir à ce stade, un nouveau modulateur (VHAM), capable de créer des ondes acoustiques représentatives de ce qui se produit dans un moteur réel, est conçu et caractérisé. La deuxième partie concerne l’analyse théorique. Deux modèles (FAME, SDM) sont développés en suivant les principales conclusions de la campagne expérimentale : les oscillations de dégagement de chaleur sont dues au mouvement transverse des flammes, et le phénomène est déclenché lorsque des gouttelettes deviennent suffisamment petites pour être convectées par le champ acoustique. En utilisant ces modèles comme base de référence, un code numérique (STAHF) est présenté. Son but est de rendre compte des mécanismes déjà identifiés pour un coût de calcul faible. Il est ensuite montré qu’il peut être utilisé pour étudier des moteurs-fusées grandeur nature. La LES compressible est choisie pour étudier l’interaction entre l’acoustique et la combustion numériquement. Un nouveau modèle de combustion pour flammes non-prémélangées basé sur une hypothèse de chimie infiniment rapide est présenté et validé sur une flamme bien documentée (H3). Il est ensuite utilisé pour étudier l’interaction entre une onde acoustique transverse et la flamme H3. Une comparaison entre le terme source de Rayleigh calculé à partir de la simulation et celui prédit par le modèle théorique FAME est finalement menée. / This thesis presents a study of high frequency instabilities in rocket engines. This issue, which has plagued many engine development programs, is approached by three complementary viewpoints: experimental, theoretical, and numerical. First, experiments are carried out to identify the main processes involved and bring forth mechanisms taking place when an engine becomes unstable. To achieve this stage, a new modulator (the VHAM), capable of creating acoustic waves representative of what occurs in an actual engine, is designed and characterized. The second part of this thesis concern theoretical analysis. Two models are developed following the main conclusions of the experimental campaign: heat release oscillations are due to the transverse flames’ motion, and the phenomenon is triggered when droplets become small enough to be convected by the acoustic field. Using these models as a baseline, a numerical code (STAHF) is presented. Its purpose is to account for mechanisms identified previously for little computational cost. This code is validated on particularly responding situations observed during experiments. It is then shown that it can be used to study real scale rocket engines. The third point of view adopted to address the problem is numerical simulation. Full compressible LES is chosen to study the interaction between acoustics and combustion. A new combustion model for non-premixed flames with infinitely fast chemistry is presented and validated on a well documented flame (H3). It is then used to study the interaction between a transverse acoustic wave and the H3 flame. A comparison between the Rayleigh source term computed from the simulation and the one predicted by the theoretical model FAME is conducted eventually.