Pour satisfaire aux dernières réglementations en matière d'émissions, des progrès importants sont encore attendus des moteurs à combustion interne. De plus, améliorer l'efficacité du moteur pour réduire les émissions et la consommation de carburant est devenu plus essentiel qu'auparavant. Mais, de nombreux phénomènes complexes restent mal compris dans ce domaine, tels que le processus d'injection de carburant. Nombreux logiciels pour la dynamique des fluides numérique (CFD) prenant en compte le changement de phase (comme la cavitation) et la modélisation de l’injection ont été développés et utilisés avec succès dans le processus d’injection. Néanmoins, il existe peu de codes CFD capables de simuler avec précision des conditions d’injection transcritiques, à partir d'une condition de température de carburant sous-critique vers un mélange supercritique dans la chambre de combustion. En effet, la plupart des modèles existants peuvent simuler des écoulements à phase unique, éventuellement dans des conditions supercritiques, ou des écoulements diphasiques dans des conditions sous-critiques. Par conséquent, il manque un modèle complet capable de traiter les conditions transcritiques, y compris la transition de phase possible entre les régimes souscritiques et supercritiques, ou entre les écoulements monophasiques et diphasiques, de manière dynamique. Cette thèse a pour objectif de relever ce défi.Pour cela, des modèles d'écoulement diphasique compressible de fluide réel basés sur une approche eulérienne-eulérienne avec prise en compte de l'équilibre de phase ont été développés et discutés dans le présent travail. Plus précisément, un modèle à 6-équation entièrement compressibles incluant les équations de bilan des phases liquide et gazeuse résolues séparément ; et un modèle à 4-équation qui résout les équations des bilans liquide et gazeux en équilibre mécanique et thermique sont proposés dans ce manuscrit. L’équation d’état Peng-Robinson EoS est sélectionné pour fermer les deux systèmes et pour faire face aux éventuels changements de phase et à la transition ou à la séparation des phases. En particulier, un solveur d'équilibre de phase a été développé et validé. Ensuite, une série de tests académiques 1D portant sur les phénomènes d'évaporation et de condensation effectués dans des conditions sous-critiques et supercritiques a été simulée et comparée aux données de la littérature et aux résultats académiques disponibles. Ensuite, les modèles d'écoulement en deux phases entièrement compressibles (systèmes à 6-équation et à 4- équation) ont été utilisés pour simuler les phénomènes de cavitation dans une buse 3D de taille réelle afin d'étudier l'effet de l’azote dissous sur la création et le développement de la cavitation. Le bon accord avec les données expérimentales prouve que le solveur proposé est capable de gérer le comportement complexe du changement de phase dans des conditions sous-critiques. Enfin, la capacité du solveur à traiter l’injection transcritique à des pressions et températures élevées a été validée par la modélisation réussie de l’injecteur Spray A du réseau de combustion moteur (ECN). / To satisfy latest stringent emission regulations, important progress is still be expected from internal combustion engines. In addition, improving engine efficiency to reduce the emission and fuel consumption has become more essential than before. But many complex phenomena remain poorly understood in this field, such as the fuel injection process. Numerous software programs for computational fluid dynamics (CFD) considering phase change (such as cavitation) and injection modelling, have been developed and used successfully in the injection process. Nevertheless, there are few CFD codes able to simulate correctly transcritical conditions starting from a subcritical fuel temperature condition towards a supercritical mixture in the combustion chamber. Indeed, most of the existing models can simulate either single-phase flows possibly in supercritical condition or two-phase flows in subcritical condition; lacking therefore, a comprehensive model which can deal with transcritical condition including possible phase transition from subcritical to supercritical regimes, or from single-phase to two-phase flows, dynamically. This thesis aims at dealing with this challenge. For that, real fluid compressible two-phase flow models based on Eulerian-Eulerian approach with the consideration of phase equilibrium have been developed and discussed in the present work. More precisely, a fully compressible 6-equation model including liquid and gas phases balance equations solved separately; and a 4-equation model which solves the liquid and gas balance equations in mechanical and thermal equilibrium, are proposed in this manuscript. The Peng-Robinson equation of state (EoS) is selected to close both systems and to deal with the eventual phase change or phase transition. Particularly, a phase equilibrium solver has been developed and validated. Then, a series of 1D academic tests involving the evaporation and condensation phenomena performed under subcritical and supercritical conditions have been simulated and compared with available literature data and analytical results. Then the fully compressible two-phase flow models (6-Equation and 4-Equation systems) have been employed to simulate the cavitation phenomena in a real size 3D nozzle to investigate the effect of dissolved N2 on the inception and developing of cavitation. The good agreement with experimental data proves the solver can handle the complex phase change behavior in subcritical condition. Finally, the capability of the solver in dealing with the transcritical injection at high pressure and temperature conditions has been further validated through the successful modelling of the engine combustion network (ECN) Spray A injector.

Ces cinquantes dernières années, la majorité des paramètres de conception des moteurs cryotechniques ont été ajustés en l'absence d'une compréhension détaillée des phénomènes de combustion, en raison des limites des diagnostiques expérimentaux et des capacités de calcul. L'objectif de cette thèse est de réaliser des simulations numériques instationnaires d'écoulements réactifs transcritiques de haute fidélité, pour permettre une meilleure compréhension de la dynamique de flamme dans les moteurs cryotechniques et finalement guider leur amélioration. Dans un premier temps, la thermodynamique gaz-réel et son impact sur les schémas numériques sont présentés. Comme la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) comporte des équations filtrées, les effets de filtrages induits par la thermodynamique gaz-réel sont ensuite mis en évidence dans une configuration transcritique type et un opérateur de diffusion artificiel, spécifique au gaz réel, est proposé pour lisser les gradients transcritiques en SGE. Dans un deuxième temps, une étude fondamentale du mélange turbulent et de la combustion dans la zone proche-injecteur des moteurs cryotechniques est menée grâce à la Simulation Numérique Directe (SND). Dans le cas non-réactif, les lâchers tourbillonnaires dans le sillage de la lèvre de l’injecteur jouent un rôle majeur dans le mélange turbulent et provoquent la formation de structures en peigne déjà observées expérimentalement dans des conditions similaires. Dans le cas réactif, la flamme reste attachée à la lèvre de l'injecteur, sans extinction locale, et les structures en peigne disparaissent. La structure de flamme est analysée et différents modes de combustion sont identifiés. Enfin, une étude de flamme-jet transcritique H2/O2, accrochée à un injecteur coaxial avec et sans retrait interne, est menée. Les résultats numériques sont d'abord validés par des données expérimentales pour l'injecteur sans retrait. Ensuite, la configuration avec retrait est comparée à la solution de référence sans retrait et à des données experimentales pour observer les effets de ce paramètre de conception sur l'efficacité de combustion. / In the past fifty years, most design parameters of the combustion chamber of Liquid Rocket Engines (LREs) have been adjusted without a detailed understanding of combustion phenomena, because of both limited experimental diagnostics and numerical capabilities. The objective of the present thesis work is to conduct high-fidelity unsteady numerical simulations of transcritical reacting flows, in order to improve the understanding of flame dynamics in LRE, and eventually provide guidelines for their improvement. First real-gas thermodynamics and its impact on numerical schemes are presented. As Large-Eddy Simulation (LES) involves filtered equations, the filtering effects induced by real-gas thermodynamics are then highlighted in a typical 1D transcritical configuration and a specific real-gas artificial dissipation is proposed to smooth transcritical density gradients in LES. Then, a Direct Numerical Simulation (DNS) study of turbulent mixing and combustion in the near-injector region of LREs is conducted. In the non-reacting case, vortex shedding in the wake of the lip of the injector is shown to play a major role in turbulent mixing, and induces the formation of finger-like structures as observed experimentally in similar operating conditions. In the reacting case, the flame is attached to the injector rim without local extinction and the finger-like structures disappear. The flame structure is analyzed and various combustion modes are identified. Finally, a LES study of a transcritical H2/O2 jet flame, issuing from a coaxial injector with and without inner recess, is conducted. Numerical results are first validated against experimental data for the injector without recess. Then, the recessed configuration is compared to the reference solution and to experimental results, to scrutinize the effects of this design parameter on combustion efficiency.

Ces 50 dernières années, la majorité des paramètres de conception des moteurs cryotechniques ont été ajustés en l'absence d'une compréhension détaillée de la dynamique de flamme, en raison des limites des diagnostiques expérimentaux et des capacités de calcul. L'objectif de cette thèse est de réaliser des simulations numériques instationnaires d'écoulements réactifs transcritiques de haute fidélité, pour permettre une meilleure compréhension de la dynamique de flamme dans les moteurs cryotechniques et finalement guider leur amélioration. Dans un premier temps, la thermodynamique gaz-réel et son impact sur les schémas numériques sont présentés. Comme la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) comporte des équations filtrées, les effets de filtrages induits par la thermodynamique gaz-réel sont ensuite mis en évidence dans une configuration transcritique type et un opérateur de diffusion artificiel, spécifique au gaz réel, est proposé pour lisser les gradients transcritiques en SGE. Dans un deuxième temps, une étude fondamentale du mélange turbulent et de la combustion dans la zone proche-injecteur des moteurs cryotechniques est menée grâce à la Simulation Numérique Directe (SND). Dans le cas non-réactif, les lâchers tourbillonnaires dans le sillage de la lèvre de l'injecteur jouent un rôle majeur dans le mélange turbulent et provoquent la formation de structures en peigne déjà observées expérimentalement dans des conditions similaires. Dans le cas réactif, la flamme reste attachée à la lèvre de l'injecteur, sans extinction locale, et les structures en peigne disparaissent. La structure de flamme est analysée et différents modes de combustion sont identifiés. Enfin, une étude de flamme-jet transcritique H2/O2, accrochée à un injecteur coaxial avec et sans retrait interne, est menée. Les résultats numériques sont d'abord validés par des données expérimentales pour l'injecteur sans retrait. Ensuite, la configuration avec retrait est comparée à la solution de référence sans retrait et à des données experimentales pour observer les effets de ce paramètre de conception sur l'efficacité de combustion.