Instabilités dans les moteurs à propergol solide : influence de la géométrie étoilée et étude numérique de la transition laminaire-turbulent - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2017

Instabilities inside solid rocket motors : influence of the star-shaped geometry and numerical study of the laminar-turbulent transition.

Instabilités dans les moteurs à propergol solide : influence de la géométrie étoilée et étude numérique de la transition laminaire-turbulent

Résumé

Solid rocket motors may exhibit thrust oscillations induced by pressure oscillations inside the engine. In the scientific literature, the so-called vortex shedding parietal, a hydrodynamic instability specific to the internal flow, has been proven to be the triggering mechanism through linear stability analyses. However, some questions still remain. These oscillations are observed during the second half of Ariane 5 launches only, the laminar-turbulent transition of the intern flow being expected to play a significant role in that behavior. Additionally, non-circular grain shapes used in some engines may impact the stability study. The present PhD work extends the base flow linear stability studies to star-shaped geometries and investigate transition mechanisms in a circular configuration. Firstly, an analytical expression of the base flow in a duct with a star-shaped cross-section is determined. Wall-normal injection is assumed, which is representative of solid rocket engines. The velocity profile may exhibit an inflection point depending on both the Reynolds number and wall radial deformation. Secondly, both local and biglobal stability analyses are applied to this flow. In contrast to the circular case, the flow may exhibit one or several unstable modes. Lastly, a large eddy simulation of the VALDO experimental test bench is performed. The influence of the acoustic impedance of the outflow boundary condition on the amplitude of pressure oscillations is highlighted.
Les moteurs à propergol solide de certains lanceurs spatiaux peuvent présenter des oscillations de poussée provoquées par des oscillations de la pression interne du moteur. Les oscillations faisant l'objet de ces travaux de thèse sont provoquées par une instabilité hydrodynamique propre à l'écoulement et mise en évidence par une approche de stabilité linéaire, appelée Vortex Shedding Parietal. Le travail effectué dans ce doctorat reprend la suite des travaux effectués précédemment en s'intéressant notamment à une géométrie particulière du chargement en propergol : la géométrie étoilée. Une solution analytique de l'écoulement stationnaire dans une telle géométrie est d'abord déterminée grâce à un développement asymptotique autour de la solution obtenue pour une géométrie circulaire. Cette solution, validée par des simulations numériques (CFD), peut présenter un ou plusieurs points d'inflexion dans le profil de vitesse axiale en fonction de l'amplitude de l'étoile et du nombre de Reynolds de l'écoulement. Ensuite les approches de stabilité linéaire locale et biglobale sont appliquées à cette solution stationnaire. Pour modéliser la dépendance azimutale de la perturbation, le théorème de Floquet est appliqué et une décomposition en série de Fourier est utilisée. Par rapport au cas circulaire, cette étude de stabilité linéaire met en évidence l'existence de nouveaux modes. Ces derniers sont associés à des fluctuations de vitesse dont les maximas sont situés proches de l'axe et correspondent à la position d'un point d'inflexion dans le profil de vitesse de l'écoulement base. La géométrie étoilée ne conduit donc pas seulement une modification des modes classiquement observés en géométrie circulaire, elle provoque aussi l'émergence de nouveaux modes intrinsèquement liés à cette géométrie. Ceux-ci permettent finalement de proposer un scénario explicatif de la différence du comportement observé mais non expliqué avant ce doctorat entre des résultats expérimentaux et des simulations numériques.
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tel-01701130 , version 1 (05-02-2018)

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  • HAL Id : tel-01701130 , version 1

Citer

Maxime Bouyges. Instabilités dans les moteurs à propergol solide : influence de la géométrie étoilée et étude numérique de la transition laminaire-turbulent. Milieux fluides et réactifs. INSTITUT SUPERIEUR DE L’AERONAUTIQUE ET DE L’ESPACE (ISAE); UNIVERSITE DE TOULOUSE, 2017. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01701130⟩

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