Numerical study of aeroelastic phenomena in supersonic flows. Application to rocket nozzles.
Etude numérique des phénomènes aéroélastiques en aérodynamique supersonique. Application aux tuyères propulsives
Résumé
This thesis is concerned with the study of aeroelastic phenomena in rocket nozzles. A part of this work has been performed within the frame of the french working group ATAC. One of its main aims is to highlight how hazardous these phenomena can be for the structure of the nozzle. Indeed, some structural eigenmodes may become statically or dynamically (flutter) instable because of the coupling between wall deformations and the induced pressure variations in the nozzle. Two models dedicated to aeroelastic stability of over-expanded nozzles are exposed in details. Moreover, a new code (based on a fluid/structure partitioned procedure) is developed so that such phenomena might be numerically investigated. This code is validated by simulating the well-known test of the supersonic panel flutter. The aeroelastic behaviour of a two-dimensional over-expanded nozzle is investigated thanks to the two stability models. Several parameters are shown to play a major role on the stability of the flexible divergent. Comparisons are made with numerical results. Finally, the stability models are applied to the flexible nozzle that ONERA studied experimentally. Lastly, investigations of the starting process of a supersonic nozzle are exposed.
Cette thèse est consacrée à l'étude des phénomènes aéroélastiques dans les tuyères de propulseurs. Elle s'inscrit dans le cadre des activités du groupe de recherche Aérodynamique des Tuyères et Arrière-Corps (ATAC). Un des principaux objectifs de ce travail est de démontrer que les phénomènes aéroélastiques peuvent être nuisibles pour les moteurs fusée (présence de modes instables) au même titre que les charges latérales qu'ils peuvent amplifier. Dans cet objectif, deux modèles permettant de prédire la stabilité aéroélastique de divergents flexibles en présence un choc de décollement sont détaillés. Par ailleurs, un outil numérique, reposant sur un couplage faible des codes fluide et structure dont dispose le LMFN-CORIA, est développé pour étudier ce type de problème. Cet outil performant est ensuite validé sur le cas-test classique du "flutter". Une application et une analyse approfondie des modèles de stabilité aéroélastique sont réalisées. Les modèles sont employés pour étudier la stabilité d'un divergent bidimensionnel plan soumis à un choc de décollement. L'influence de plusieurs paramètres sur la stabilité de la structure est évaluée. Les résultats obtenus sont ensuite confrontés aux résultats de simulations numériques couplées. En dernier lieu, les modèles sont utilisés pour étudier la stabilité de la tuyère LEA souple sur laquelle l'ONERA effectue des mesures expérimentales. Enfin, des travaux complémentaires sur l'amorçage rapide d'une tuyère supersonique sont présentés en annexes.