Etude expérimentale et numérique d'une sonde de prélèvement isocinétique en écoulement disphasique dense : application à la granulométrie des produits de combustion des propulseurs à propergol solide

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Friemel, Rodolphe (2005)
  • Subject: Prélèvement isocinétique | Sonde à bord épais | Ecoulement diphasique dense | Couplages diphasiques | Propulsion spatiale | Propergol solide | Combustion aluminium | 621.042

Mesurer la granulométrie de la phase condensée (gouttes d'alumine) des produits de combustion des moteurs spatiaux à propergol solide est nécessaire pour résoudre les problèmes d'oscillations de poussée et de dépôts. La technique envisagée pour cette mesure utilise une sonde de prélèvement isocinétique. Pour en comprendre les mécanismes de fonctionnement, nous étudions l'effet de la forte concentration des particules sur l'efficacité d'aspiration d'une sonde. Un banc expérimental produit des rafales brèves d'un mélange dense d'air et de poudre (rapport massique entre 0,1 et 1), échantillonné en parallèle par une sonde de test et une sonde de référence parfaitement isocinétique. En complément, un modèle numérique de l'entrée de la sonde permet de discerner les phénomènes locaux. Il apparaît qu'en configuration super-isocinétique, les particules ayant rebondi sur le bord d'attaque de la sonde sont aspirées et provoquent un excès de concentration mesurée. Une nouvelle expression analytique de l'efficacité d'aspiration permet de quantifier ce phénomène. Expérimentalement, cet effet est progressivement atténué par l'augmentation de la concentration des particules, en raison de l'augmentation des couplages diphasiques, qui réduisent la capacité des particules à suivre le fluide porteur : transfert de quantité de mouvement des particules vers le fluide, collisions entre particules, effet de sillage entre particules voisines. Les simulations numériques d'une sonde à bord épais mettent en évidence la prédominance des particules ayant rebondi avant d'être aspirées, et permettent de proposer une technique d'aspiration fortement sub-isocinétique pour eviter ce phénomène. In order to understand the isokinetic sampling of two phase combustion products of solid rocket motors, we study the effect of high particle concentration on the aspiration efficiency of a sampler. Our experimental facility produced a dense two-phase flow made of air and powder (mass ratio between 0,1 and 1). A numerical model describes the local phenomenon at the entrance of the sampler are collected and increase the measured concentration. A new analytical correlation is able to calculate this phenomenon. In the experiment, this effect is lowered by the increase of particle concentration, because of two-phase couplings that reduce the ability of particles to follow the fluid : momentum transfer between particles and the fluid, inter-particle collisions, wake effect between neighbouring particles. Numerical calculations of a blunt sampler show that the majority of sampled particles have bounced on the front edge of the sampler. They allow us to find a highly sub-isokinetic sampling technique in order to avoid this problem.
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