Instabilités intrinsèques des moteurs à propergol solide

Other literature type French OPEN
Chedevergne, François (2007)
  • Subject: Propulsion solide | Stabilité linéaire biglobale | CEDRE | PERSE | DNS | Couplage modes propres et modes acoustiques | 621.042

Les longs moteurs segmentés à propergol solide sont sujets à des oscillations de poussée (ODP), particulièrement en fin de tir. Il a été montré que ces oscillations sont liées à des fluctuations de pression de l'écoulement interne. Les fréquences des oscillations obtenues étant proches de celles des modes de cavité des moteurs, on a longtemps cru à l'émergence de fluctuations acoustiques pour expliquer les ODP. Cette thèse montre qu’en fait c’est l'amplification de modes propres de l'écoulement qui est à l’origine du phénomène. L'amplification résulte du couplage des modes propres avec les modes de cavités qui se produit lors du croisement de leurs fréquences respectives. Pour parvenir à cette conclusion, une étude de stabilité linéaire dite bigiobale a été menée afin d’identifier les modes propres de l’écoulement. Après une validation des résultats de stabilité à l’aide de simulations numériques directes (DNS), l'émergence de modes propres par couplage avec l’acoustique a été reproduite lors de calculs DNS. Une fois ces résultats acquis, on s'intéresse alors aux comparaisons entre théorie et expériences en se basant en particulier sur une analyse temps-fréquence des signaux de pression issus de tirs de moteurs à échelles réduites. Les pulsations résultant des calculs de stabilité sont rendues dimensionnelles en prenant en compte l’évolution des paramètres de l'écoulement, simulant ainsi la régression des blocs de propergol. On obtient finalement un réseau de modes propres dont les fréquences évoluent dans le temps et on trouve ainsi un très bon accord entre les valeurs théoriques et expérimentales. La cohérence de l'ensemble des résultats fournis par les expériences, les modélisations théoriques et les calculs numériques permet de construire in fine notre modèle d’apparition des ODP. Long segmented solid rocket motor exhibit thrust oscillations (TO), especially at the end of their firing. It has been shown that these oscillations are linked to inflow pressure fluctuations. As the observed oscillation’s frequencies are close to motor’s cavity modes ones, the emergence of acoustic fluctuations has been believed for a long time to be the explanation for the TO arising. We prove in this thesis that the amplification of flow eigenmodes is actually responsible of this phenomenon. This amplification results from the coupling between the eigenmodes and the cavity ones which occurs since the respective frequencies intersect. To reach such a conclusion, a linear stability analysis, called biglobal approach, has been carried out in order to identify the flow eigenmodes. Following the validation of stability results thanks to direct numerical simulations (DNS), the emergence of eigenmodes through coupling with acoustic modes has been reproduced in DNS calculations. Once these results are established, consideration is given to comparisons between theory and experience, based in particular on time-frequency analysis of pressure signals coming from subscale motors’s firings. Pulsations extracted from stability calculations are turned into dimensional frequencies while taking into account the evolution of the flow parameters, thus simulating the propellant grains regression. Finally, an eigenmodes network is engendered whose frequencies depend on time. This theoretical network is then compared to experimental results leading finally to a good agreement. The consistency of the whole set of results provided by experiments, theoretical models and numerical calculations allows us to construct at end our TO arising model.
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