Les oscillations de pression sont un enjeu majeur dans le design des moteurs à propergol solide car de faibles oscillations de pression (ODP) dans la chambre entraînent de fortes oscillations de poussée ce qui conduit à des vibrations néfastes pour les structures et les satellites embarqués. Les ODP sont encore aujourd'hui un vaste sujet de recherche mais les expériences en propulseur sont complexes, coûteuses et l'environnement hostile qui règne dans la chambre restreint les possibilités de mesures. La simulation numérique est aujourd'hui un outil indispensable et complémentaire des expérimentations dans l'analyse des ODP.
Depuis les années 1990 de nombreux travaux, majoritairement financés par le CNES, ont permis de mettre en évidence divers mécanismes générateurs d'oscillations dont les détachements tourbillonnaires. Un obstacle, un angle ou la longueur du moteur ont été identifiés comme étant les trois principales sources, créant des instabilités de type VSO, VSA et VSP respectivement. Lors du développement du P230 d'Ariane 5, le VSO et le VSP ont été particulièrement étudiés. Cependant le design des nouveaux moteurs intègre des géométries de type fynocil aux dimensions plus petites et caractérisées par des ailettes au niveau du fond arrière qui génèrent des couches de cisaillement et favorisent la formation d'instabilité de type VSA. Le VSA a été étudiée dans les travaux sur le C1x [Dupays 1996] mais de divers points restent encore à aborder afin d'avoir une vision complète des mécanismes pilotant et impactant le VSA. Jusqu'à présent, aucune étude n'a intégré un bloc de propergol en combustion en aval du changement de section. De plus, les particules d'aluminium et leur combustion ont déjà montré leur pouvoir générateur d'instabilité (ITHAC). Il paraît donc important d'étudier l'impact de cette combustion et de la présence des particules résiduelles sur le VSA.
Pour cela, il a été choisi dans ces travaux d'isoler le VSA dans une configuration académique et d'étudier successivement l'impact du soufflage latéral, puis celui de la combustion des particules d'aluminium et de la présence de résidus et enfin l'impact de la mise à l'échelle sur l'instabilité. L'étude de l'impact du soufflage latéral a été conduite via deux approches. La première, basée sur des simulations numériques instationaires a montré le fort effet stabilisant du soufflage latéral. La deuxième, basée sur des analyses de stabilité linéaire locales a permis de retrouver d'une part les caractéristiques de l'instabilité et d'autre part de capter la stabilisation de la couche de mélange par l'augmentation du soufflage. Ces travaux ont abouti en collaboration avec Thibault Bridel-Bertomeu [Bridel 2016] au développement d'un outil de stabilité linéaire locale, validé sur de nombreuses configurations. L'ajout de particules d'aluminium réactives a montré le rôle complexe des particules résiduelles sur l'instabilité, qui peuvent jouer un rôle stabilisant ou déstabilisant en fonction de leur nombre de Stokes. Sur la configuration à échelle réduite, elles possèdent un fort effet stabilisant. L'impact de la mise à échelle a ensuite été étudié sans et avec particules.
En gaz seul, la conservation du nombre de Strouhal de l'instabilité, permet de transposer directement les résultats obtenus à échelle réduite vers l'échelle réelle. En revanche, en présence de particules, la mise à l'échelle ne conserve pas le nombre de Stokes des particules ce qui modifie leur impact sur la couche de mélange. A échelle réelle les particules amplifient les amplitude des oscillations sur une partie de l'écoulement.
Ces travaux de thèse contribuent au développement des connaissances fondamentales sur une instabilité hydrodynamique des moteurs à propergol solide : le détachement tourbillonnaire d'angle (VSA). Les méthodes et outils développés au cours de ces travaux apportent une base solide à l'étude de ce type de phénomène aussi bien dans des configurations académiques qu'industrielles. |
Pressure oscillations (ODP) are a major issue in solid rocket motor design, as very small pressure oscillations induce strong thrust oscillations, involving vibrations detrimental to carrying load. ODP are still a vast and intense domain of research, enabling to go deeper in the understanding of the phenomena which create oscillations. Experiments are complex, coslty and the unfriendly environment inside the chamber reduces the measurement possibilities. Therefore, the improvement of rocket motors mainly resorts to advanced numerical simulations.
Extensive research, mainly supported by the French national space agency CNES have enabled to characterize several sources of instabilities, including vortex shedding phenomena. An obstacle, an angle or the motor length have been identified as the three main sources, generating respectively VSO, VSA and VSP instabilities. Motivated by the development of the P230 for the Ariane 5 launcher, VSO and VSP have been particularly studied. Today, new motor design is moving towards fynocil geometry with smaller dimensions and characterized by thins at the rear bottom of the motor. These thins create shear zones promoting VSA instabilities. VSA has be studied in the C1x configuration [Dupays 1996] but several points still need to be studied in order to have a complete view of the phenomena driving and impacting the VSA in a solid rocket motor flow. So far, no study has been performed with a propellant block after the section changes. All the studies assume that this block is already burnt but this situation occurs only at the end of a fire. Moreover, the combustion of aluminum particles has already proven its destabilization effect (ITHAC). It seems then important to study the impact of the combustion and of the presence of residual particles on the VSA.
In this work, the VSA is isolated in an academic configuration and the impact of lateral blowing, combustion including the presence of residual particles and scaling, are analyzed. The study of the lateral blowing impact has been performed following two approaches. The first one, based on unsteady numerical simulations, demonstrates the strong stabilizing effect of the lateral blowing. The second one, based on local linear stability analysis enables first to recover the instability characteristics and second to capture the stabilization of the mixing layer by the increase of the lateral blowing. This work led to the development, in collaboration with Thibault Bridel-Bertomeu [Bridel 2016], of a linear stability tool, validated on several configurations, which enables to study the stability of any axi-symmetric velocity mean profile and to evaluate the risk of generating a hydrodynamic instability. Adding burning aluminum particles has shown the complex role of the residual particles on the vortex structures. Particles behavior and their impact are driven by their Stokes number. Particles can have a stabilizing or a destabilizing impact on the instability. In the reduced scale configuration particles have a stabilizing impact by destroying the vortex structures. The scaling impact is then studied with a without particles. In purely gaseous configuration, the results obtained at reduced scale can be used directly at real scale as all the characteristics of the instability are preserved. This perfect scaling is guaranteed by the conservation of the Strouhal number of the instability. However, with particles, the scaling modifies the Stokes number and consequently modifies the particles impact on the mixing layer. At real scale, particles amplify velocity oscillations in some flow regions.
This thesis contributes to the development of the fundamental knowledge on a given hydrodynamic instability in solid rocket motor flow : the angle vortex-shedding (VSA). Methods and tools developed in this word provide a strong basis to the study of this kind of phenomenon in academic configurations as well as industrial ones. |