Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre du projet CNES-PERSEUS. L’objectif principal est l’étude et la caractérisation d’un béton réfractaire à base de carbure de silicium, avec une taille maximale d'agrégats de 800 microns, dans un environnement de type propulsion hybride. Le col de la tuyère doit résister à un environnement très oxydant, produit par la combustion de polyéthylène solide et de protoxyde d’azote liquide, avec des températures statiques de gaz qui peuvent atteindre 2800K. L’étude est divisée en trois parties : une caractérisation thermomécanique du matériau jusqu’à 1500K ; une étude du comportement à l’oxydation en atmosphère standard, sous un flux solaire maximal de 15 MW/m2 ; des tests au banc avec un moteur hybride à l'ONERA, sur des tuyères conçues et réalisées au laboratoire ICA. Le frittage et la céramisation du microbéton engendrent une densification du matériau et le passage de liaisons de type hydrauliques à des liaisons de type covalentes et ioniques, avec augmentation du module d'élasticité et de la contrainte à la rupture à haute température. Ce matériau présente un comportement visco-élastique-plastique aux hautes températures : il reste majoritairement élastique linéaire jusqu'à la température de stabilisation du matériau, puis une composante viscoplastique apparaît, provoquée par la formation de phases liquides à partir de la matrice cimentaire. Les tests d’oxydation à haute température ont été menés au laboratoire PROMES-CNRS, sur une installation solaire de 2 kW, permettant d'appliquer à un flux maximal de 15 MW/m2. Des observations MEB, en microscopie optique et des analyses EDS ont été menées pour étudier les évolutions microstructurales et la cinétique d’oxydation du matériau. Les tests d’oxydation à 15 MW/m2 ont montré des vitesses d'érosion maximales de l'ordre de 5 microns/s pour une température de 2800 K. L'érosion est générée par l'oxydation active et par la sublimation du carbure de silicium. L'oxydation active se développe à partir de 2100 K, avec formation de SiO et CO gazeux. La sublimation du carbure de silicium, à partir de 2600-2700 K, entraine la formation de Si, Si2C et SiC2 gazeux. Les essais menés sur les tuyères montrent une bonne résistance du matériau après 20 secondes de tir. Une vitesse d'ablation moyenne proche de 60 microns/s a été observée au col de la tuyère. Le comportement thermo-élastique-ablatable a été modélisé tout d'abord sur la base d'une géométrie cylindrique multicouche, puis étendue au cas de la tuyère expérimentale testée au banc d'essai. / This research is part of the PERSEUS project, a space program concerning hybrid propulsion and supported by CNES. The main goal of this study is to characterize a silicon carbide based micro-concrete with a maximum aggregates size of 800 microns, in a hybrid propulsion environment. The nozzle throat has to resist to a highly oxidizing polyethylene/N2O hybrid environment, under temperatures ranging from room temperature up to 2800K. The study is divided in three main parts: the first one deals with the thermo-mechanical characterization of the materials up to 1500K, the second one with an investigation on the oxidation behaviour in a standard atmosphere, under a solar flux up to 15 MW/m2, the last part deals with the conception, the realization and the test of three nozzles in a hybrid rocket motor at ONERA. Elastic modulus was determined by resonant frequency method: results show an increase with the stabilisation temperature. Four points bending tests have shown a rupture tensile strength increasing with stabilization temperature, up to 1500 K. Sintering and ceramization process are primary causes of this phenomenon. Visco-plastic behaviour appears at 1400 K on a material staiblized at the same temperature, due to the formation of liquid phases in cement ternary system. High-temperature oxidation in air was carried out at PROMES-CNRS laboratory, on a 2 kW solar furnace, with a maximum solar flux of 15 MW/m2. Optical microscopy, SEM, EDS analyses were used to study the microstructure evolution and the mass loss kinetics, with a maximal erosion speed of 5 microns second. During theses tests, silicon carbide undergoes active oxidation at 2100 K, with production of SiO and CO smokes and ablation. SiC sublimation is observed since 2600-2700 K, with Si, Si2C and SiC2 vapour generation. Test performed on nozzle in hybrid rocket motors at ONERA, showed an average ablation speed at nozzle throat of 60 microns second, after 20 seconds of test. Thermo-elastic-ablative behaviour has been modelled using first composite cylinder geometry, and then it has been extended to the experimental nozzle geometry, tested on the test bench.

Dans la conception des turbomachines modernes, la prédiction des phénomènes aéroélastiques est devenue un point clé. La tendance à réduire la masse et à augmenter la charge des composants aérodynamiques accroit le risque de rupture. Dans un tel contexte, la compréhension et la bonne prédiction des diverses instabilités constituent un enjeu industriel et scientifique majeur. Le présent travail de recherche a pour objectif d’améliorer la prédiction des phénomènes instationnaires intervenant dans les problèmes d’aéroélasticité en turbomachines. Cette thèse est plus particulièrement axée sur la simulation de l’interaction onde de choc/couche limite. Le support d’étude est une tuyère transsonique présentant un écoulement avec des zones décollées. L’oscillation forcée de l’onde de choc est simulée grâce à une méthode de petites perturbations instationnaires couplée avec une hypothèse de turbulence variable. Cette approche est validée par comparaison avec des mesures. Elle permet une prédiction tout à fait satisfaisante du premier harmonique de pression sur la paroi de la tuyère. Ce travail a montré la nécessité de linéariser le modèle de turbulence. Le besoin de dériver le modèle de turbulence nous a amené à investiguer la modélisation faite pour prédire l’interaction onde de choc/couche limite. Un modèle de turbulence à deux équations complété par une équation de « retard » est implémenté afin de capter un déséquilibre de la turbulence. Les résultats obtenus en tuyère sont cohérents avec la théorie mais une surproduction d’énergie turbulente en présence de bord d’attaque rend le modèle inefficace pour des configurations de turbomachines. Au final, l’introduction d’un limiteur de viscosité turbulente dans un modèle de turbulence à deux équations s’avère donner de bons résultats. La méthode de dérivation du modèle est alors présentée sur le modèle de Wilcox proposé en 2008. Enfin, la technique de linéarisation est étendue à la problématique aéroélastique. Une approche de couplage fluide-structure faible est adoptée. L’oscillation structurelle des aubages suivant les modes propres est considérée mais en laissant la fréquence évoluer au cours du couplage. La nouvelle méthode utilisée s’appuie sur la construction d’un méta-modèle du comportement dynamique du fluide afin de résoudre directement le système fluide-structure couplé. Cette technique est validée sur une configuration de grille annulaire de turbine en haut subsonique et présente l’avantage d’un temps de calcul réduit. / In modern turbomachinery design, predicting aerolastic phenomena has become a key point. The development of highly loaded components, while reducing their weight, increases the risk of failure. In this context, good understanding and prediction of various instabilities are a major industrial and scientific challenge. This research work aims to improve the prediction of unsteady phenomena involved in turbomachinery aeroelasticity. This study focuses especially on the simulation of shock wave/boundary layer interaction. To begin with, a transonic nozzle separated flow is investigated. Forced oscillation of the shock wave system is simulated through a small unsteady perturbation method combined with the assumption of variable turbulence. This approach is validated against exprimental measurements. The first harmonic of pressure on the wall of the nozzle is predicted quite satisfactorily. The need to linearize the turbulence model was shown of high importance. Deriving the turbulence model, leads us to investigate the turbulence modeling performed to predict the shockwave/boundary layer interaction. A two equations turbulence model supplemented by a "time-lagged" equation is implemented to capture non-equilibrium effects of turbulence. All achieved results for a nozzle are consistent with theory, but overproduction of turbulent kinetic energy at leading edge makes the model useless for turbomachinery configurations. However, the introduction of an eddy viscosity stress limiter inside a two-equation turbulence model proves to give good results. The derivation method is thus presented on such a model, precisely on Wilcox model proposed in 2008. Finally, the linearization technique is extended to aeroelastic problems. A loose fluid-structure coupling strategy is adopted. The structural oscillation of the blades is considered for eigen-modes but frequency is free to change during coupling resolution. The new approach is based on the building of a meta-model to describe the fluid dynamic behavior in order to solve directly the coupled fluid-structure system. This technique is validated on a standard high subsonic turbine configuration and takes advantage of a reduced computation time.

Cette recherche s’articule en deux parties. L’objectif de la première partie est d’analyser par voie expérimentale et numérique la phénoménologie du décollement interne, dit décollement de jet (en regimes transitoire et établi) dans les tuyères supersoniques refroidies par film fluide. La deuxième partie porte sur la réinterprétation des concepts de tuyère existants pour aboutir à la proposition d’un nouveau dispositif de détente supersonique, qui offre une résistance accrue au décollement de jet. La première partie de cette thèse est basée sur l’analyse des résultats expérimentaux obtenus lors de la campagne d’essais réalisée à l’ONERA. Ces essais, ont mis en évidence des spécificités de comportement de la tuyère, inhérentes à la manière d’amorcer le jet supersonique principal par rapport à l’établissement du film pariétal. Ces mêmes expériences ont permis d’étudier le comportement instationnaire du décollement de jet lorsque les conditions d’alimentation sont maintenues en régime établi. L’apparition de fréquences caractéristiques a été mise en évidence et leur origine a été étudiée à l’aide de simulations numériques. En nous appuyant sur les considérations issues de la première partie de l’étude, une revue critique des concepts de tuyère existants a été menée. Ce travail a permis d’identifier une lacune majeure dans la définition des tuyères à écoulement interne, à savoir l’absence d’une « barrière » qui puisse prévenir l’occurrence du décollement de jet. Ainsi, nous avons proposé la conjonction d’un dispositif à écoulement externe (aerospike) et d’une tuyère classique afin de résoudre cette problématique in nuce, en créant une barrière fluidique continue tout autour du plan de sortie de la tuyère principale. L’efficacité de ce concept a donc été prouvée par calcul, puis une campagne expérimentale a été organisée afin de valider les résultats obtenus. / This research is in two parts. The objective of the first part is to analyse by experimental and numerical means the phenomenology of nozzle flow separation in transient and steady state conditions. The second part of this research work focuses on the reinterpretation of existing concepts of converging-diverging nozzles, leading to the proposal of a new supersonic expansion device, with improved flow separation characteristics.Experimental data, collected during the test campaign conducted at ONERA, have been analysed and are presented in the first part of this thesis. Obtained results highlight some peculiarities of the transient behavior of the nozzle, mostly dependent on the synchronisation between the start-up phase of the main jet and the grow-up of the wall film. These same experiments have been also used to investigate the unsteadiness of the flow separation, when nozzle feeding conditions are maintained constant. Appearance of characteristic frequencies has been highlighted and their origin has been investigated by CFD simulations.In the second part, a critical review of existing nozzle concepts was conducted. This allowed identifying a major gap in the definition of traditional supersonic nozzles, namely the absence of a "barrier" that can prevent the occurrence of the flow separation. Thus, in the second part of this thesis we propose a new nozzle concept. It is based on the combination of a small aerospike and a conventional nozzle (main flow). Such an arrangement allows solving the flow separation problem in nuce. The effectiveness of this concept has been proved by calculation and by an experimental test campaign.

Le prototypage virtuel des circuits pneumatiques de puissance, par exemple les circuits de freinage des véhicules industriels, constitue un enjeu important en raison de la complexité des écoulements en régime transsonique et des couplages entre les échelles locales et macroscopiques. Ces problèmes sont rencontrés lors de la conception, de la synthèse des commandes et de l'analyse des performances statiques et dynamiques de ces circuits et l'analyse. La mise au point des modèles numériques de ces systèmes induit des coûts et des temps importants par rapport à d'autres systèmes. La démarche proposée dans cette thèse repose sur la construction numérique de bases de données permettant de caractériser le comportement local et macroscopique d'un composant de circuit en fonction de la variation de certains paramètres physiques ou géométriques par rapport à un point de fonctionnement de référence. Les bases de données résultent de l'extrapolation de la solution des équations de Navier Stokes moyennées (RANS) pour le point de référence considéré obtenu à l'aide d’un logiciel de paramétrisation en mécanique des fluides (Turb’Opty). La contribution de cette thèse repose pour l'essentiel dans un travail d'analyse des solutions issues de la paramétrisation dans deux contextes différents: la tuyère De Laval et un élément "coude", des composants élémentaires de circuit. Nous avons montré que ces exemples "simples" conduisent déjà à des difficultés importantes en termes de paramétrisation du problème et du calcul des dérivées des champs aérodynamiques en raison de la taille du problème. Pour pallier cette difficulté, nous avons proposé de déraffiner le maillage et nous avons alors montré que cette démarche conduit parfois à déplacer ou à atténuer certains phénomènes (chocs). La deuxième contribution de ce travail repose sur l'évaluation de la qualité des solutions extrapolées, de leur domaine de validité et la construction des liens entre grandeurs locales et macroscopiques. Nous avons enfin proposé une démarche permettant de reconstruire la caractéristique en débit d'un composant à partir de la détermination de la solution extrapolée pour un nombre limité de points de référence. / Virtual prototyping pneumatic circuits for power transmission, for example braking circuits of trucks, is still a difficulty because of the complexity of the flow behavior in transonic conditions and of the coupling between local and macroscopic scales. These problems are met during system design, control synthesis and for static and dynamic performance analysis. Tuning accurate numerical models requires important costs and time when compared to other systems. The methodology proposed in this PhD thesis relies on numerically determining a data base that characterizes the local and macroscopic behavior of a circuit component according the variation from a reference point of some physical or geometrical parameters. The data bases are obtained from the extrapolation of the Mean Navier Stokes solution (RANS) for a given reference point with the help of a parametrization software dedicated to fluid mechanics (Turb'Flow). The main contribution of this thesis relies io the analysis of the solution obtained from the parametrization in two different cases: the De Laval nozzle and un "elbow" connecting element, which are elementary component in a circuit. We have shown that these two "simple" cases lead already to important difficulties in term of problem parametrization and calculation of the derivatives of the aerodynamic fields because of the problem dimension. In order to tackle this, we proposed to reduce the spatial discretization (mesh derefining) and we showed that this approach could sometimes lead to damp or move some phenomena (shocks). The second contribution of this work relies on evaluating the quality of the extrapolated solution and their validity domain, and on building links between local and macroscopic behavior. Finally, we proposed a method that allows the mass flow rate characteristic of a component to be determined from the calculation of the extrapolated solution issued from a limited number of reference points.

Ce travail de thèse concerne l’étude des écoulements de fluides gazeux compressibles laminaires subsonique-supersonique dans une tuyère de type convergent-divergent. Les écoulements étudiés sont à nombres de Reynolds modérés et s’affranchissent de l’hypothèse de condition adiabatique de paroi couramment utilisée afin de mieux prendre en compte les phénomènes de transfert de chaleur par convection et rayonnement avec le milieu extérieur. Cette étude des phénomènes de transferts conjugués a permis de déterminer le comportement dynamique simultané du fluide et de la paroi de la tuyère. Enfin, compte tenu des niveaux élevés de températures mis en jeu dans ces systèmes, une analyse concernant le comportement thermomécanique de l’ensemble de la structure de paroi avec des matériaux monocouches et multicouches a été réalisé. De nombreuses configurations géométriques, propriétés physiques et conditions aux limites sur le fluide et la paroi ont été analysées. Les résultats présentés montrent, la structure des écoulements à travers les iso-contours de vitesses, des nombres de Mach, des pressions dans le fluide, des températures dans le fluide et dans la paroi ainsi que les déformations et les contraintes de la paroi qui résultent des couplages thermomécaniques. Une analyse des performances de la tuyère, en termes de force de poussée et de coefficient de débit spécifique, est largement discutée dans ce travail. / This work concerns the study of flows of compressible gaseous laminar subsonic-supersonic nozzle in a convergent-divergent type. The flows are studied to moderate Reynolds numbers and free themselves from the assumption of adiabatic wall conditions commonly used to better take into account the phenomena of heat transfer by convection and radiation with the external environment. This study combined transfer phenomena was determined simultaneously the dynamic behavior of the fluid and the wall of the nozzle. Finally, given high levels of temperatures at stake in these systems, an analysis of the thermomechanical behavior of the entire wall structure with monolayer and multilayer materials was performed. Many geometric configurations, physical properties and boundary conditions on the fluid and the wall were analyzed. The results presented show the structure of the flow through the iso-contours of speed, Mach numbers, pressures in the fluid, temperatures in the fluid and in the wall as well as the deformations and stresses resulting from the wall thermomechanical couplings. A performance analysis of the nozzle, in terms of thrust coefficient and specific yield, is widely discussed in this work.