Etude numérique de l'écoulement instationnaire diphasique dans les propulseurs à propergol solide d'Ariane 5

Other literature type French OPEN
Goncalves de Miranda, Fabienne (2000)
  • Subject: Simulation numérique | Moteur à propergol solide | Couplage aéroacoustique | Ecoulement diphasique | Vortex shedding | Instationnaire | Two-way coupling | Fusée | Propulsion | 621.042 | Numerical simulation | Solid propellant motor | Aeroacoustic coupling | Two-phase flow | Unsteady | Rocket

Cette étude s'inscrit dans le cadre de recherches, menées dans différents laboratoires, sur l'optimisation des moteurs à propergol solide d'Ariane 5 (MPS P230). Dans une certaine plage de fonctionnement du moteur, l'écoulement diphasique généré par la combustion du propergol enrichi en aluminium se couple à l'acoustique de la veine et crée ainsi des instabilités pouvant être dramatiques. D'autre part, certaines gouttelettes forment, dans le fond arrière du propulseur, une flaque dont le ballottement induit des déséquilibres et des oscillations de poussée. L'objectif de la thèse est de comprendre l'influence de la phase dispersée sur le couplage aéroacoustique au sein du P230 grâce à une étude numérique approfondie. La géométrie support est une maquette du moteur, VIOLETTE, fonctionnant en gaz froid. Le manuscrit comprend trois parties : les phénomènes physiques mis en jeu et les méthodes numériques utilisées, la modélisation de l'écoulement diphasique en gaz froid, l'influence de l'évaporation des gouttes d'aluminium. L'écoulement gazeux instationnaire est calculé en résolvant les équations laminaires de Navier-Stokes grâce au code MSD, couplé au module LSD pour la simulation déterministe lagrangienne de la phase liquide, en two-way coupling. En gaz froid, la présence de gouttelettes cause une diminution des fréquences et amplitudes d'oscillation, et de la pression moyenne. Ces phénomènes sont fortement dépendants des conditions d'injection des gouttes. En gaz chaud, l'évaporation des gouttes accroît les échanges entre phases. La pression moyenne et l'amplitude des fluctuations augmentent considérablement par rapport au cas monophasique. Enfin, l'excitation de modes acoustiques transverses a été mise en évidence par la prise en compte de l'évaporation des gouttelettes. This study is part of a research program initiated in order to improve the Ariane 5 solid aluminized propellant motors (SRM P230) performances. The two-phase flow generated by the combustion of the aluminized propellant couples itself to the acoustic of the chamber. These instabilities can be dramatic for the rocket. Furthermore, some droplets form a slag in the motor half-end. The tossing of this slag induces unsteadiness and thrust oscillations. The objective of the thesis is to understand the droplet influence on aeroacoustic coupling within the P230 thanks to a detailed numerical study. The studied geometry is a cold-flow sub-scale set-up of the motor, called VIOLETTE. The typescript is divided into three parts : physical phenomena and numerical methods used, modelisation of the cold two-phase flow, influence of the aluminum droplet evaporation. The unsteady gaseous flow-field is obtained by solving the laminar Navier-Stokes equations with the code MSD. Droplets are tracked by a deterministic two-way coupling lagrangian method, using the LSD module. In the cold-flow, the presence of droplets causes a decrease of frequencies and amplitudes of oscillations, and mean pressure. These phenomena are strongly dependent of droplet injection condition. In a hot-flow, the droplet evaporation increases inter-phase exchanges. The mean pressure and fluctuation amplitude increase considerably. Moreover, the droplet evaporation excites some transverse acoustic modes.
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