Couplage entre modèles diphasiques à "phases séparées" et à "phase dispersée" pour la simulation de l’atomisation primaire en combustion cryotechnique - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2015

Coupling between separated and dispersed two-phase flow models for the simulation of primary atomization in cryogenic combustion

Couplage entre modèles diphasiques à "phases séparées" et à "phase dispersée" pour la simulation de l’atomisation primaire en combustion cryotechnique

Résumé

Two-phase flows play a significant role for the proper functioning of cryogenic liquid-propellant rocket engines, such as those that equip the launchers of the Ariane family. Since the experimental investigation of such propulsion devices is complex and expensive, developing numerical tools able to accurately simulate their functioning, is a crucial but nonetheless ambitious objective. The major difficulty is due to the multiscale nature of the problem, as a result of which there is currently no numerical approach able to perfectly describe all the liquid scales on its own. Based on this observation the work presented in this thesis aims at setting up a coupling strategy between models well-adapted to each two-phase flow topology, in the framework of the ONERA’s multiphysics CEDRE software. The approach adopted precisely consists in coupling a 4-equation diffuse interface model for the separated phases and a eulerian kinetic model for the dispersed phase, thus making it possible to describe primary atomization. Besides, the harsh conditions within cryogenic rocket engines, where large temperature, velocity and density gradients are encountered, severely challenge the robustness of numerical methods. A new multislope MUSCL method for general unstructured meshes is thus developed in order to improve the robustness and accuracy of space discretization schemes. The whole coupling strategy is finally applied to the numerical simulation of the ONERA’s Mascotte test bench for cryogenic combustion research.
Les écoulements diphasiques jouent un rôle prépondérant dans les moteurs-fusées à ergols liquides cryogéniques, équipant par exemple les lanceurs de la famille Ariane. L'étude expérimentale de tels engins propulsifs étant complexe et onéreuse, disposer d'outils numériques à même de simuler fidèlement leur fonctionnement se révèle être un objectif aussi important qu'ambitieux. La difficulté majeure réside dans le caractère fortement multi-échelles du problème, si bien qu’aucune approche numérique existante n'est capable à elle seule de décrire parfaitement l'ensemble des échelles liquides. Partant de ce constat, les travaux présentés dans cette thèse visent à mettre en place une stratégie de couplage entre des modèles bien adaptés aux différentes topologies d'écoulement diphasique, et ce dans le cadre de la plateforme logicielle multi-physique CEDRE développée par l'ONERA. La démarche adoptée consiste précisément à coupler un modèle à interface diffuse de type ``4 équations'' pour les zones à phases séparées, et un modèle cinétique eulérien pour la phase dispersée, rendant ainsi possible la description de l’atomisation primaire. Par ailleurs, les conditions sévères qui règnent dans les moteurs cryotechniques, où de forts gradients de température, vitesse et densité sont rencontrés, mettent à l'épreuve la robustesse des méthodes numériques. Une nouvelle méthode MUSCL multipente pour maillages non structurés généraux a ainsi été développée, permettant d’améliorer la robustesse et la précision des schémas de discrétisation spatiale. L’ensemble de la stratégie de couplage est finalement appliquée à la simulation du banc Mascotte de l'ONERA pour la combustion cryotechnique.
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Dates et versions

tel-01250527 , version 1 (05-01-2016)
tel-01250527 , version 2 (08-03-2016)

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Paternité - Pas d'utilisation commerciale - Pas de modification

Identifiants

  • HAL Id : tel-01250527 , version 1

Citer

Clément Le Touze. Couplage entre modèles diphasiques à "phases séparées" et à "phase dispersée" pour la simulation de l’atomisation primaire en combustion cryotechnique. Analyse numérique [math.NA]. Universite Nice Sophia Antipolis, 2015. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01250527v1⟩

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