Le ballottement dans les réservoirs d'ergols est une des perturbations les plus importantes de la stabilité d'un satellite en orbite. En considérant des manœuvres faiblement inertielles, il n'existe pas de modèle analytique et l'expérimentation nécessite de longues périodes de temps en micro-gravité. Nous nous proposons donc, dans cette thèse, de réaliser des simulations numériques de ce phénomène. L'étude est basée sur le solveur DIVA résolvant les équations de Navier-Stokes diphasiques avec les méthodes level-set et Ghost Fluid. Deux technologies de réservoirs sont à l'étude : les réservoirs classiques, ne contenant que l'ergol liquide et le gaz pressurisant, et les réservoirs à membrane, pour lesquels une membrane hyperélastique sépare les deux fluides. Dans le premier cas, une étude paramétrique complète sur les effets du ballottement lors d'une manœuvre de rotation est menée et les différents régimes d'écoulement obtenus sont décrits par rapport aux paramètres d'études. Par la suite, les données de l'expérience FLUIDICS, envoyée à bord de la Station Spatiale Internationale, sont comparées aux résultats numériques et montrent un très bon accord. Par rapport au second cas, un modèle d'interaction fluides-membrane est développé en s'inspirant de travaux sur la déformation de cellules biologiques. Les déformations et contraintes propres à la membrane sont suivies de façon Eulérienne, les efforts exercés par la membrane sur les fluides environnants en sont déduits et intégrés au solveur diphasique. Les résultats obtenus sont validés par comparaison à des cas-tests de la littérature. / Propellant sloshing in tanks is one of the most important disturbances of satellite stability in orbit. Considering low-inertial manoeuvres, there is no analytical model and experimental facilities require long time period of microgravity conditions. Thus, this PhD thesis aims to predict this phenomenon by numerical simulations. The study is based on the DIVA code which solves the Navier-Stokes equations for two-phase flows with the level-set method and the Ghost Fluid method. Two tank technologies are studied: simple tanks, which only contain the liquid propellant and the gas maintaining the pressure, and diaphragm tanks, for which a hyperelastic membrane separates both fluids. In the first case, a parametric study on the sloshing effects is done considering rotational manoeuvres and the different behaviours observed are described in relation to the study parameters. Thereafter, the data from the FLUIDICS experiment, sent to the International Space Station, are compared to the numerical results and exhibit good agreement. In the second case, a fluids-membrane interaction model inspired from works on the deformation of biological cells is developed. The membrane strains and stresses are computed in an Eulerian way, from which the force exerted by the membrane on the surrounding fluids is deduced and integrated in the two-phase flows solver. The numerical results are validated by comparison with benchmarks from the literature.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2018TOU30256 |
| Date | 12 December 2018 |
| Creators | Dalmon, Alexis |
| Contributors | Toulouse 3, Tanguy, Sébastien |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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