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.

Les moteurs-fusées hybrides combinent les technologies des deux autres catégories de moteurs à propulsionchimique, et associent un combustible et un oxydant stockés respectivement sous phase solide et liquide.Cette architecture offre un certain nombre d’avantages, comme par exemple des coûts plus faibleset une architecture simplifiée par rapport à la propulsion bi-liquide; la possibilité de réaliser de multiplesextinctions et ré-allumages et une bonne impulsion spécifique théorique par rapport à la propulsion solide,et enfin une sécurité de mise en œuvre accrue et un impact environnemental faible vis-à-vis de ces deuxautres modes de propulsion. Comme toutes les chambres de combustion, celles des moteurs hybrides peuvent subir des oscillations de pression sous certaines conditions de fonctionnement. Ces instabilités se traduisent par des fluctuationsde poussée qui peuvent dégrader la structure d’un lanceur ou d’un satellite. Des phénomènes diverspeuvent être à l’origine des fluctuations de pression observées dans les moteurs hybrides.L’objectif de la thèse est de proposer une modélisation des instabilités d’origine hydrodynamique quiapparaissent dans les moteurs hybrides. Une exploitation nouvelle de la base de données disponible àl’ONERA a servi de support pour la modélisation, ainsi que des simulations numériques instationnaires 2Det 3D réalisées à l’aide du code CFD CEDRE. Les instabilités sont provoquées par la formation périodiquede structures tourbillonnaires dans la chambre de combustion, qui génèrent des fluctuations de pressionlors de leur passage dans le col de la tuyère. L’originalité du modèle, basé sur la théorie classique degénération tourbillonnaire dans une cavité, consiste à prendre en compte les variations géométriques dela chambre de combustion au cours des tirs. Ces variations ont un effet sur la vitesse de l’écoulement, surla zone de recirculation dans la post-chambre, ainsi que sur les tourbillons eux-mêmes. Enfin, plusieursnouveaux essais du moteur hybride HYCOM ont été effectués et confrontés au modèle développé dans lecadre de la thèse. / Hybrid rocket motors combine solid and bi-liquid chemical propulsion technologies and associate asolid fuel and a liquid oxidizer in its classical configuration. This architecture offers several advantagesover liquid propulsion such as lower costs and a simplified architecture. The possibility of performingmultiple extinctions and re-ignitions and a good theoretical specific impulse is also an improvement inregard to solid propulsion. Hybrid engines also have improved safety and a lower environmental impactthan other chemical propulsion systems. As in all combustion chambers, hybrid engines suffer from pressure oscillations under specific operating conditions. These instabilities provoke thrust fluctuations that can damage the launcher and payloads.Various phenomena can induce the pressure oscillations observed in hybrid rocket engines.The objective of this thesis is to propose a model of hydrodynamics instabilities that appear in hybridengines. A new exploitation of the database available at ONERA, and unsteady 2D and 3D numericalsimulations were used for the modeling. The instabilities are provoked by the periodic formation ofvortices in the combustion chamber that generate pressure fluctuations when passing through the nozzlethroat. The originality of the model, which is based on the classical theory of vortices generation ina cavity, consists in taking into account the geometrical variations of the combustion chamber duringoperation. These variations have an effect on the flow velocity, on the recirculation area in the postchamberand on the vortices. Finally, several new firing tests of the hybrid engine HYCOM have beenperformed and compared to the model developed in this thesis.

En 2002 le moteur Aestus de l'étage supérieur d'Ariane 5 du vol 142 a présenté des instabilités de combustion à hautes fréquence, qui ont été soupçonnées être des instabilités couplées entre le dôme d'alimentation en fuel MMH (mono-méthyl-hydrazine) et la chambre de combustion pendant la phase de démarrage. Cette étude porte donc sur la compréhension des mécanismes de couplage qui guident les instabilités hybrides et le développement théorique et numérique de ces mécanismes. Le premier aspect abordé concerne l'étude des temps caractéristiques des processus qui prennent place dans une chambre de combustion de moteur fusée à ergols liquides, dés que ces derniers sont injectés : l'atomisation primaire, l'atomisation secondaire, le mélange, le chauffage et la vaporisation des gouttes, et les réactions chimiques. Les résultats de cette analyse montrent les processus qui se couplent avec l'onde acoustique des instabilités hybrides. Ensuite une modélisation des deux systèmes principaux a été effectuée : le système d'alimentation contenant des ergols liquides ou gazeux dans une géométrie complexe, est modélisé par la méthode à paramètres discrets basée sur un schéma électrique ; le système chambre de combustion, présentant nombreux phénomènes dans une géométrie simple, presque cylindrique, a été modélisée par un approche globale, basée sur l'introduction des termes sources dans les équation de Navier Stokes. Une procédure de couplage a été développée entre les deux systèmes au travers d'une fonction admittance de l'injection. Le modèle a été validé sur une configuration simple et appliqué sur un cas réel, celui de l'Aestus.

Le contexte de ce travail repose sur l'étude des instabilités de combustion au sein des moteurs-fusées à propergols liquides. Cette étude se concentre sur les effets des champs acoustiques transverses de haute amplitude sur l'injection coaxiale en conditions non-réactives. La réponse acoustique du système d'injection est dépendante des propriétés locales du champ acoustique dans la cavité d'injection. La modification du processus d'atomisation, induit par le champ acoustique, a été analysée dans des configurations simples et multiinjection. Des expériences ont été menées pour des régimes d'atomisation de faibles et hauts nombres de Weber. Trois phénomènes ont été observés: un aplatissement du jet, une amélioration du processus d'atomisation et la déviation du système liquide. La combinaison de ces trois phénomènes en configuration multi-injection résulte en un phénomène de regroupement de gouttes. En présence de combustion, un tel regroupement pourraitmener à un dégagement de chaleur non-uniforme susceptible de déclencher ou d'entretenir des instabilités de combustion. Un modèle théorique basé sur les équations d'acoustique non-linéaire a été développé pour donner les expressions générales de pression de radiation et de forces de radiations résultantes appliqué aux objets sphériques et cylindriques en champ stationnaire ou progressif. Le modèle a été utilisé pour interpréter et quantifier les observations expérimentales en configurations liquide/gaz, trans-critique/super-critique et gaz/gaz, et a permis de montrer que le nombre de Helmholtz qui caractérise le champ acoustique, et le rapport de densité qui caractérise les deux milieux, sont deux paramètres cruciaux. Les principales conclusions montrent que le phénomène observé peut être interprété comme résultant de l'acoustique non-linéaire, dont le paramètre clé étant le ratio de densité. Cela exige que la couche séparant les deux milieux, vue comme une interface, ne doive pas être réduite uniquement à une interface liquide/gaz. / The context of this work relies to high frequency combustion instabilities in Liquid Rocket Engines (LRE). The present research focuses on the effects of high amplitude transverse acoustic fields on non-reactive coaxial injection. The acoustic response of injection domes is found to be dependent on the local properties of the acoustic field in the injection cavity. The modification of the atomization process, induced by the acoustic field, has been analyzed in single and multi-injection configurations. Experiments were performed from low to high Weber number atomization regimes. Three phenomena are observed: jet flattening, improvement of the atomization process and deviation. The combination of these phenomena in multi-injection configurations leads to a droplet clustering phenomenon. In the presence of combustion, such a clustering could lead to non-uniform heat release rate which can trigger or sustain combustion instabilities. A theoretical model based on non-linear acoustics has been developed, providing general expressions of radiation pressure and resulting radiation force, for spherical and cylindrical objects in standing and progressive wave field. The model has been successfully used to interpret and quantify experimental observations in liquid/gas, trans-critical/super-critical and gas/gas configurations and showed that the Helmholtz number α characterizing the acoustic field and the density ratio η characterizing the two media are two parameters of importance. The major conclusions are that the observed phenomena can be interpreted as resulting from non-linear acoustics, the key feature being the density ratio. It is claimed that the layer separating the two media, seen as an interface, does not need to be restricted only to a liquid/gas interface.

Les gouttes d’oxyde d’aluminium présentes en masse dans l’écoulement interne des moteurs-fusées à propergol solide ont tendance à influerde façon importante sur l’écoulement et sur le fonctionnement du moteur quel que soit le régime. L’objectif de la thèse est d’améliorerles modèles diphasiques eulériens présents dans le code de calcul semi-industriel pour l’énergétique de l’ONERA, CEDRE, en y incluant lapossibilité d’une dispersion locale des particules en vitesse en plus de la dispersion en taille déjà présente dans le code, tout en gardant unestructure mathématique bien posée du système d’équations à résoudre. Cette nouvelle caractéristique rend le modèle capable de traiter lescroisements de trajectoires anisotropes, principale difficulté des modèles eulériens classiques pour les gouttes d’inertie modérément grande.En plus de la conception et de l’analyse détaillée d’une classe de modèles basés sur des méthodes de moments, le travail se concentre sur larésolution des systèmes d’équations obtenus en configurations industrielles. Pour cela, de nouvelles classes de schémas précis et réalisables pourle transport des particules dans l’espace physique et l’espace des phases sont développées. Ces schémas assurent la robustesse de la simulationmalgré différentes singularités (dont des chocs, -chocs, zones de pression nulle et zones de vide...) tout en gardant une convergence d’ordredeux pour les solutions régulières. Ces développements sont conduits en deux et trois dimensions, en plus d’un référentiel bidimensionnelaxisymétrique, dans le cadre de maillages non structurés.La capacité des schémas numériques à maintenir un niveau de précision élevé tout en restant robuste dans toutes les conditions est un pointclé pour les simulations industrielles de l’écoulement interne des moteurs à propergol solide. Pour illustrer cela, le code de recherche SIERRA,originellement conçu durant les année 90 pour les problématiques d’instabilités de fonctionnement en propulsion solide, a été réécrit afin depouvoir comparer deux générations de modèles et de méthodes numériques et servir de banc d’essais avant une intégration dans CEDRE. Lesrésultats obtenus confirment l’efficacité de la stratégie numérique choisie ainsi que le besoin d’introduire, pour les simulations axisymétriques,une condition à la limite spécifique, développée dans le cadre de cette thèse. En particulier, les effets à la fois du modèle et de la méthodenumérique dans le contexte d’une simulation de l’écoulement interne instationnaire dans les moteurs-fusées à propergol solide sont détaillés.Par cette approche, les liens entre des aspects fondamentaux de modélisation et de schémas numériques ainsi que leurs conséquences pour lesapplications sont mis en avant. / The massive amount of aluminum oxide particles carried in the internal flow of solid rocket motors significantly influences their behavior.The objective of this PhD thesis is to improve the two-phase flow Eulerian models available in the semi-industrial CFD code for energeticsCEDRE at ONERA by introducing the possibility of a local velocity dispersion in addition to the size dispersion already taken into accountin the code, while keeping the well-posed characteristics of the system of equations. Such a new feature enables the model to treat anisotropicparticle trajectory crossings, which is a key issue of Eulerian models for droplets of moderately large inertia.In addition to the design and detailed analysis of a class of models based on moment methods, the conducted work focuses on the resolution ofthe system of equations for industrial configurations. To do so, a new class of accurate and realizable numerical schemes for the transport ofthe particles in both the physical and the phase space is proposed. It ensures the robustness of the simulation despite the presence of varioussingularities (including shocks, -shocks, zero pressure area and vacuum...), while keeping a second order accuracy for regular solutions. Thesedevelopments are conducted in two and three dimensions, including the two dimensional axisymmetric framework, in the context of generalunstructured meshes.The ability of the numerical schemes to maintain a high level of accuracy in any condition is a key aspect in an industrial simulation of theinternal flow of solid rocket motors. In order to assess this, the in-house code SIERRA, originally designed at ONERA in the 90’s for solidrocket simulation purpose, has been rewritten, restructured and augmented in order to compare two generations of models and numericalschemes, to provide a basis for the integration of the features developed in CEDRE. The obtained results assess the efficiency of the chosennumerical strategy and confirm the need to introduce a new specific boundary condition in the context of axisymmetric simulations. Inparticular, it is shown that the model and numerical scheme can have an impact in the context of the simulation of the internal flow ofsolid rocket motors and their instabilities. Through our approach, the shed light on the links between fundamental aspects of modeling andnumerical schemes and their consequences on the applications.

The present research project is carried out at the von Karman Institute for Fluid Dynamics (Rhode-Saint-Genèse, Belgium) with the financial support of the European Space Agency.<p><p>The first stage of spacecrafts (e.g. Ariane 5, Vega, Shuttle) generally consists of large solid propellant rocket motors (SRM), which often consist of segmented structure and incorporate a submerged nozzle. During the combustion, the regression of the solid propellant surrounding the nozzle integration part leads to the formation of a cavity around the nozzle lip. The propellant combustion generates liquefied alumina droplets coming from chemical reaction of the aluminum composing the propellant grain. The alumina droplets being carried away by the hot burnt gases are flowing towards the nozzle. Meanwhile the droplets may interact with the internal flow. As a consequence, some of the droplets are entrapped in the cavity forming an alumina puddle (slag) instead of being exhausted through the throat. This slag reduces the performances.<p><p>The aim of the present study is to characterize the slag accumulation process in a simplified model of the MPS P230 motor using primarily optical experimental techniques. Therefore, a 2D-like cold-gas model is designed, which represents the main geometrical features of the real motor (presence of an inhibitor, nozzle and cavity) and allows to approximate non-dimensional parameters of the internal two-phase flow (e.g. Stokes number, volume fraction). The model is attached to a wind-tunnel that provides quasi-axial flow (air) injection. A water spray device in the stagnation chamber realizes the models of the alumina droplets, which are accumulating in the aft-end cavity of the motor.<p><p>To be able to carry out experimental investigation, at first the the VKI Level Detection and Recording(LeDaR) and Particle Image Velocimetry (PIV) measurement techniques had to be adapted to the two-phase flow condition of the facility.<p><p>A parametric liquid accumulation assessment is performed experimentally using the LeDaR technique to identify the influence of various parameters on the liquid deposition rate. The obstacle tip to nozzle tip distance (OT2NT) is identified to be the most relevant, which indicates how much a droplet passing just at the inhibitor tip should deviate transversally to leave through the nozzle and not to be entrapped in the cavity.<p><p>As LeDaR gives no indication of the driving mechanisms, the flow field is analysed experimentally, which is supported by numerical simulations to understand the main driving forces of the accumulation process. A single-phase PIV measurement campaign provides detailed information about the statistical and instantaneous flow structures. The flow quantities are successfully compared to an equivalent 3D unsteady LES numerical model.<p><p>Two-phase flow CFD simulations suggest the importance of the droplet diameter on the accumulation rate. This observation is confirmed by two-phase flow PIV experiments as well. Accordingly, the droplet entrapment process is described by two mechanisms. The smaller droplets (representing a short characteristic time) appear to follow closely the air-phase. Thus, they may mix with the air-phase of the recirculation region downstream the inhibitor and can be carried into the cavity. On the other hand, the large droplets (representing a long characteristic time) are not able to follow the air-phase motion. Consequently, a large mean velocity difference is found between the droplets and the air-phase using the two-phase flow measurement data. Therefore, due to the inertia of the large droplets, they may fall into the cavity in function of the OT2NT and their velocity vector at the level of the inhibitor tip.<p><p>Finally, a third mechanism, dripping is identified as a contributor to the accumulation process. In the current quasi axial 2D-like set-up large drops are dripping from the inhibitor. In this configuration they are the main source of the accumulation process. Therefore, additional numerical simulations are performed to estimate the importance of dripping in more realistic configurations. The preliminary results suggest that dripping is not the main mechanism in the real slag accumulation process. However, it may still lead to a considerable contribution to the final amount of slag.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished