Diffuse interfaces and LOX/H2 transcritical flames
Interfaces diffuses et flammes transcritiques LOX/H2
Résumé
In cryogenic engines, the propellants are refrigerated and stored liquid in order to limit the dimension of the tanks. They are pressurized by turbopumps before their injection in the combustion chamber. To increase the efficiency of the engines, the chamber pressure is increased and can be above the critical pressure of the propellants. This combustion regime is called transcritical. It exhibits some properties of diphasic injection with a high density core jet but does not have a phenomenon of atomization. The study of the oxygen transition from dense to light has been the main objectives of this thesis. In supercritical regime, the width of this transition decreases with the pressure till it reaches the critical pressure where it becomes infinitely thin. The lack of discretization in the zone of strong gradients leads to numerical instabilities. This situation is analog from a numerical point of view to a liquid-vapor interface. Thus, in this thesis we have extented the diffuse interface methods to the supercritical regime. The second gradient method introduced by van der Waals has allowed the simulation of subcritical and supercritical flames. The multifluid approach has been implemented in the solver CEDRE for the computation of a large eddy simulation of the experimental bench MASCOTTE in supercritcal conditions.
Dans les moteurs cryotechniques, les ergols sont refroidis pour être stockés sous forme liquide et limiter ainsi la taille des réservoirs. Ils sont ensuite mis sous pression, grâce à une turbopompe, avant d’être injectés dans la chambre de combustion. Pour augmenter les rendements des moteurs, la pression de chambre est augmentée et peut dépasser les pressions critiques des ergols. Le régime de combustion supercritique est alors appelé transcritique lorsque l’oxygène est injecté à une température inférieure à sa température critique avec une densité équivalente à celle d’un liquide. Ce régime possède certaines propriétés des injections diphasiques avec un dard dense mais sans présenter de phénomène d’atomisation ce qui le rapproche des injections gaz-gaz. L’étude de la transition dense-dilué de l’oxygène a été le dénominateur commun de cette thèse. En régime supercritique, l’épaisseur de cette transition diminue avec la pression jusqu’à devenir infiniment fine à la pression critique. Le manque de discrétisation des zones à forts gradients conduit à des instabilités numériques. Cette situation est analogue numériquement au cas d’une interface liquide vapeur subcritique. C’est pourquoi nous avons étendu dans cette thèse des méthodes d’interface diffuse au régime supercritique. La méthode dite de second gradient introduite par van der Waals a permis de simuler des flammes étirées subcritiques et supercritiques. Tandis que l’approche multifluide a été utilisée pour réaliser des simulations aux grandes échelles du banc d'essai MASCOTTE en régime supercritique avec le code CEDRE.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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