Μulti-scale descriptiοn οf textural atοmizatiοn οf liquid οxygen in liquid rοcket engine cryοgenic flames - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2024

Μulti-scale descriptiοn οf textural atοmizatiοn οf liquid οxygen in liquid rοcket engine cryοgenic flames

Μulti-scale descriptiοn οf textural atοmizatiοn οf liquid οxygen in liquid rοcket engine cryοgenic flames

Résumé

The development of rocket engines to equip future launchers requires a better understanding of the complex physical phenomena that govern their operation. In the case of liquid-propelled rocket engines, the growing demand for engines that can be reliably reignited in space means that the transient phases such as start-up and shutdown must be better understood. These transient phases usually include subcritical injection regimes. Oxygen is injected in liquid state into the combustion chamber and undergoes a series of mechanisms: dense jet atomization, fragmentation of liquid ligaments, droplet evaporation, and turbulent combustion. Under these conditions, the combustion process is mainly driven by the atomization of the liquid oxygen, which must be accurately reproduced by simulation to better understand its role in the onset of combustion instabilities. Before using simulation as an autonomous tool to study the atomization process, it is necessary to ensure its level of accuracy. This requires conducting experimental test campaigns on test benches capable of reproducing conditions representative of rocket engines, such as the MASCOTTE test-bench at ONERA or the MARACA test-bench at CORIA. The goal of these studies is to characterize the atomization process and provide experimental data that can be used to develop and validate numerical models. The experimental study of primary atomization of liquid oxygen, in particular, relies on flow visualization techniques that depict the liquid structures involved in the process. The primary atomization process observed in liquid rocket engines can be categorized as textural or structural, depending on the scale at which the atomization takes place. Textural atomization processes are characterized by thin ligaments being peeled from the jet, while structural atomization is related with the breakup of the liquid bulk. Visualizations resulting from experimental test campaigns show very complex two-phase flows involving textural liquid systems that are difficult to characterize due to the wide range of spatial and temporal scales involved. To this day, no techniques are available to describe quantitatively the liquid ligaments involved in the textural atomization processes observed experimentally. In this thesis, a methodology is developed to characterize the textural primary atomization processes observed in the two-phase-flow conditions representative of those encountered in liquid rocket engines. Based on a multi-scale method developed at CORIA, this analysis provides a quantitative characterization of the size, shape and number of the textural liquid structures involved in the textural atomization process in its entire spatial scale range. This characterization provides information for the development of numerical primary atomization models. Additionally, the application of the methodology to liquid systems depicted by visualizations extracted from numerical simulations allow to validate the simulation results in terms of the correct reproduction of the liquid structures that participate in the textural atomization process.
Le développement des moteurs-fusées destinés à équiper les futurs lanceurs nécessite une meilleure compréhension des phénomènes physiques complexes qui régissent leur fonctionnement. Dans le cas des moteurs-fusées à ergols liquides, la demande croissante pour des moteurs pouvant être rallumés de manière fiable dans l'espace impose une profonde compréhension des phases transitoires, telles que le démarrage et l'arrêt. Ces phases transitoires incluent généralement des régimes d'injection sous-critiques. L'oxygène est injecté à l'état liquide dans la chambre de combustion et subit une série de mécanismes : atomisation du jet dense, fragmentation des ligaments liquides, évaporation des gouttelettes et combustion turbulente. Dans ces conditions, le processus de combustion est principalement gouverné par l'atomisation de l'oxygène liquide, qui doit être reproduite avec précision par simulation afin de mieux comprendre son rôle dans l'apparition des instabilités de combustion.Avant d'utiliser la simulation comme un outil autonome pour étudier le processus d'atomisation, il est nécessaire d'assurer son niveau de précision. Cela nécessite de mener des campagnes d'essais expérimentaux sur des bancs d'essais capables de reproduire des conditions représentatives de moteurs-fusées, tels que le banc d'essai MASCOTTE à l’ONERA ou le banc d’essai MARACA au CORIA. L’objectif de ces études est de caractériser le processus d’atomisation et de fournir des données expérimentales qui peuvent être utilisées pour développer et valider des modèles numériques.L'étude expérimentale de l'atomisation primaire de l'oxygène liquide repose en particulier sur des techniques de visualisation des écoulements, qui permettent de représenter les structures liquides impliquées dans le processus. Le processus d’atomisation primaire observé dans les moteurs-fusées à ergols liquides peut être catégorisé comme texturel ou structurel, selon l’échelle à laquelle se produit l’atomisation. Les processus d’atomisation texturelle se caractérisent par le détachement de fins ligaments du jet, tandis que l’atomisation structurelle est liée à la rupture du volume liquide principal. Les visualisations issues de campagnes d’essais expérimentaux révèlent des écoulements diphasiques très complexes impliquant des systèmes liquides texturaux difficiles à caractériser en raison de leur large gamme d’échelles spatiales et temporelles. À ce jour, aucune technique n’est disponible pour décrire quantitativement les ligaments liquides impliqués dans ces processus d’atomisation texturelle observés expérimentalement.Dans cette thèse, une méthodologie est développée pour caractériser les processus d’atomisation primaire texturelle observés dans des conditions d’écoulement diphasique représentatives de celles rencontrées dans les moteurs-fusées à ergols liquides. Basée sur une méthode multi-échelle développée au CORIA, cette analyse fournit une caractérisation quantitative de la taille, de la forme et du nombre des structures liquides texturelles impliquées dans le processus d’atomisation texturelle sur toute sa gamme d’échelles spatiales. Cette caractérisation fournit des données pour le développement de modèles numériques d’atomisation primaire. En outre, l’application de cette méthodologie à des systèmes liquides décrits par des visualisations extraites de simulations numériques permet de valider les résultats de simulation en termes de leur reproduction des structures liquides participant au processus d’atomisation texturelle.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04874693 , version 1 (08-01-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04874693 , version 1

Citer

Leonardo Geiger. Μulti-scale descriptiοn οf textural atοmizatiοn οf liquid οxygen in liquid rοcket engine cryοgenic flames. Fluid mechanics [physics.class-ph]. Normandie Université, 2024. English. ⟨NNT : 2024NORMR062⟩. ⟨tel-04874693⟩
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