Academic literature on the topic 'Moteur à détonation rotative'

Introduction : L’acide ellagique (AE) est un composé polyphénolique, possédant des propriétés antipaludiques ainsi que d’autres activités thérapeutiques prometteuses. Cependant, ses propriétés physicochimiques défavorables (faible solubilité et faible perméabilité, BCS IV) limitent sa biodisponibilité par voie orale. Le but de notre étude était de produire par extrusion à chaud des dispersions solides ternaires à taux de charge élevé en substance active en vue d’une utilisation efficiente de l’acide ellagique en thérapeutique humaine. Matériel et méthodes : Des mélanges physiques ternaires composés d’EA/Eudragit® EPO/PEG 8000 dans des proportions de 15/75/10 (F1), 20/70/10 (F2), 25/65/10 (F3), 15/80/5 (F4) et 20/85/5 (F5) % m/m, respectivement ont été triturés au mortier puis extrudés à l’aide d’une extrudeuse co- rotative bi- vis pour l’obtention des dispersions solides ternaires. Les extrudats broyés et tamisés ont été caractérisés par diffraction aux rayons X, spectroscopie infrarouge à transformée de fourrier, spectroscopie à résonnance magnétique nucléaire et par des tests de dissolution dans des conditions non sink en milieu acide (HCl 0,1N,). Résultats et Discussion : Quatre des cinq formulations ont été extrudés avec succès. Il s’agissait des formulations F1, F2, F4 et F5. La formulation F3 n’a pu être extrudée car nécessitait un couple moteur supérieur à la force maximale développée par l’extrudeuse (40Nm). La diffraction aux rayons X a montré la présence de résidus cristallins dans toutes les dispersions solides ternaires, confirmée par la spectroscopie à résonnance magnétique nucléaire. La libération de l’AE à partir des dispersions ternaires était beaucoup plus importante avec les formulations F4 et F5 comparativement aux formulations F1 et F2. En effet, après 15 min de test, les taux de dissolution de l’AE étaient 88,75±3,02%, 83,47±4,40%, 62,67±3,10 et 58,74±7,23 % respectivement pour les formulations F4, F5, F2 et F1. Le profil de libération de l’AE à partir des formulations F1 et F2 présentait une tendance à la recristallisation de ce dernier dans le milieu de dissolution. Conclusion : Au regard de ses performances pharmaceutiques, de sa teneur en AE et en plastifiant, la formulation F5 apparaissait comme étant la plus appropriée pour une utilisation efficiente de l’AE en thérapeutique humaine.

Cette thèse s’inscrit dans le domaine de la simulation numérique appliquée à la propulsion. Le moteur à détonation rotative (RDE) fait partie des candidats susceptibles de remplacer nos actuels moyens de propulsion grâce à l’augmentation du rendement thermodynamique du moteur. Pour conserver l’avantage de la détonation, l’injecteur doit fournir un mélange dont la qualité doit être la meilleure possible tout en limitant les pertes de pression totale. La présente étude porte sur le développement et l’optimisation numérique d’un injecteur adapté au fonctionnement d’un RDE. L’injection d’hydrogène et d’oxygène gazeux en rapport stoechiométrique est considérée pour une utilisation en propulsion fusée. Le premier objectif est de proposer un concept réaliste d’injecteur permettant de maximiser le mélange des ergols. Le second objectif est de réaliser des études du mélange dans la chambre par des simulations LES (Large Eddy Simulation). Le troisième objectif est de simuler la propagation d’une détonation rotative (RD) alimentée par différents injecteurs en régimes prémélangé et séparé. Deux éléments d’injection sont mis en concurrence. Le premier utilise le principe de jets semi-impactants de H2 et de O2. Le deuxième représente une configuration améliorée. Les simulations de RD avec les deux injecteurs donnent des résultats similaires lorsque l’injection est prémélangée. La part du mélange injecté perdu par déflagration est de 30% et la vitesse de propagation de la RD est proche de la vitesse théorique CJ. Pour les injections séparées de H2 et O2, l’injecteur amélioré permet de conserver un bon niveau de mélange dans la chambre, contrairement à l’injecteur à semi-impact qui produit une forte stratification des ergols dans la chambre. En conséquence, la vitesse de propagation de la RD est proche de la vitesse CJ avec l’injecteur amélioré et limitée à 80% de la vitesse CJ avec l’injecteur à semi-impact
This thesis pertains to the domain of numerical simulation for propulsion applications. The rotating detonation engine (RDE) appears to be a good candidate to replace our current means of propulsion thanks to the increase of the thermodynamic efficiency. To preserve the advantage given by the detonation mode, the injector must provide the best possible mixing of the propellants together with acceptable total pressure losses. This numerical study deals with developing and optimizing an injector adapted to the operation of a RDE. Injection of gaseous H2 and O2 at stoichiometric ratio is considered to be suitable for rocket propulsion application. The first goal is to propose an efficient injector design so that the mixing between the propellants is maximized. The second goal is to perform simulations of the mixing process in the chamber by LES (Large Eddy Simulation) computations. The third goal consists in computing the propagation of a rotating detonation (RD) fed by different injectors in premixed and separate regimes. This study allows the comparison of two injection elements. The first one uses the principle of semi-impinging jets of H2 and O2. The second one represents an improved configuration. RD simulations with both injectors provide similar results when premixed injection is considered. The part of the injected mixture that burns by deflagration is 30% and the detonation velocity remains close the theoretical CJ velocity. In the regime of separate injection of H2 and O2, the improved injector enables to keep a high mixing efficiency in the chamber whereas the semi-impingement injector produces a strong stratification of the propellants in the chamber. As a consequence, the detonation velocity is close to the CJ velocity with the improved injector and limited to 80% of the CJ velocity with the semi-impingement injector

Afin d'accroître l'efficacité des moteurs thermiques, de nouveaux systèmes de combustion à gain de pression ont fait l'objet d'études approfondies au cours des dernières années. Les moteurs à détonation rotative (RDE) constituent un exemple de ces systèmes, où une détonation auto-entretenue consomme continuellement du carburant dans une chambre de combustion typiquement annulaire. L'étude expérimentale de ces moteurs est extrêmement difficile, c'est pourquoi des méthodes numériques sont utilisées pour explorer davantage les processus régissant ces types de moteurs. Les simulations de grandes turbulences (LES) constituent un outil puissant pour analyser l'écoulement dans les moteurs à détonation rotatifs, mais la littérature a montré que leur mise en œuvre n'est pas simple. Différents groupes utilisent des simplifications (par exemple, prémélange parfait, représentations géométriques en 2D de la chambre) et l'analyse numérique de haute fidélité comparant les hypothèses de mélange, les schémas numériques ou les schémas chimiques dans des configurations à échelle réelle n'est pas couramment trouvée dans la littérature.Cette thèse étudie les stratégies de LES 3D d'un RDE complet testé à l'Université technique de Berlin et l'influence de divers paramètres de modélisation sur les résultats de la simulation. Pour ce faire, un schéma chimique fiable en une étape est d'abord élaboré pour la prédiction correcte des propriétés de détonation et de déflagration. Ensuite, une procédure d'initialisation fiable est développée et deux indices de post-traitement pour évaluer la qualité du mélange (I_mix) et l'efficacité de la détonation (I_det) sont introduits pour quantifier davantage les résultats des simulations. Les résultats confirment que le mélange joue un rôle important dans la performance des RDE et qu'il doit être reproduit avec précision dans les LES afin de capturer les caractéristiques essentielles des RDE. Le manuscrit met également en évidence l'impact que les schémas chimiques et numériques peuvent avoir sur la dynamique de détonation à l'intérieur des RDE. Enfin, les simulations montrent l'importance de la déflagration dans l'ensemble de la chambre de combustion RDE, ce qui implique que les modèles chimiques doivent tenir compte des propriétés de déflagration ainsi que de la détonation pour capturer l'efficacité des RDE et révèlent que tous les cas perdent une grande quantité de carburant dans la combustion non-détonante.Sur la base de l'étude de sensibilité, une configuration numérique principale est conçue et des simulations sont effectuées. Les résultats sont validés en comparant la vitesse expérimentale de l'onde de détonation et le gain de pression estimé. La LES surestime la vitesse de l'onde de détonation expérimentale de 21 %. La LES confirme également l'absence de gain de pression dans la configuration TUB.Cette thèse montre que la LES peut être utilisée pour comprendre la dynamique et les mécanismes de stabilisation ainsi que la performance globale des systèmes RDE. Cependant, elle met également en évidence les limites actuelles de la méthode et les nombreux domaines sur lesquels la communauté LES doit se concentrer pour la LES prédictive des RDE
To increase the efficiency of thermal engines, new pressure-gain combustion systems are the subject of extensive studies over the last years. Rotating Detonation Engines (RDE) constitute an example of such systems, where a self-sustained detonation continuously consumes fuel in a typically annular combustion chamber. Experimental investigation of these engines is extremely difficult, hence numerical methods are used to further explore the processes governing these types of engines. A powerful tool to analyse the flow in Rotating Detonation Engines are Large Eddy Simulations (LES), but literature has shown that their implementation is not straightforward. Various groups use simplifications (e.g. perfect premixing, geometrical 2D representations of the chamber) and numerical high-fidelity analysis comparing mixing assumptions, numerical schemes or chemical schemes in full scale configurations are not commonly found in literature.This thesis investigates strategies for 3D LES of a full RDE tested at TU Berlin and the influence of various modelling parameters on the simulation results. This is done by first deriving a reliable 1-step chemical scheme for the correct prediction of detonation and deflagration properties. Second a reliable initialization procedure is developed and two postprocessing indices for evaluating the mixture quality (I_mix) and the detonation efficiency (I_det) are introduced to further quantify the results of the simulations.Results confirm that mixing plays a significant role in the performance of RDEs and must be accurately reproduced in LES the capture the essential features of RDEs. The manuscript also highlights the impact that the chemical and numerical schemes can have on the detonation dynamics inside RDEs. Finally, the simulations show the importance of deflagration in the overall RDE combustor, implying that chemistry models need to account for deflagration properties as well as for detonation to capture the efficiency of RDEs and reveal that all cases lose a high amount of fuel to non-detonative combustion.Based on the sensitivity study, a numerical master setup is designed and simulations are performed. The results are validated by comparing the experimental detonation wave speed and estimated pressure gain. The LES overpredicts the experimental detonation wave speed by 21%. The LES also confirms the absence of pressure gain in the TUB configuration.This thesis shows that LES can be used to understand the dynamics and stabilization mechanisms as well as overall performance of RDE systems. However, it also highlights the current limitations of the method and the many areas where the LES community has to shift the focus on for predictive LES of RDEs

Le concept du moteur à détonation continue, ici appliqué à la propulsion spatiale, est basé sur la détonation entretenue dans une chambre annulaire par une arrivée continue de mélange réactif devant elle. Un dispositif expérimental a été conçu pour caractériser ses performances propulsives à pression atmosphérique ou sub-atmosphérique. Des blocages ou tuyères peuvent être adaptés à la section d'éjection du moteur pour en augmenter les performances. L'observation des phénomènes physiques liés à la détonation rotative a nécessité une métrologie et des caméras rapides. Les performances sont évaluées sur la base de mesures de poussée. La température de paroi et les vibrations sont également mesurées.

Les observations expérimentales montrent l'existence d'un régime de fronts réactifs continus. Les études paramétriques sur le fonctionnement et la géométrie du moteur mettent en évidence la constance de ce régime de fronts. Leur nombre, constant en phase stationnaire, est généralement compris entre 1 et 8 selon les conditions d'essai, leur célérité évolue peu entre 1000 et 1300 m/s et le rapport de pression à travers les fronts est proche de 2 ou 3. Les caractéristiques de ce régime (pression, célérité) sont nettement inférieures aux propriétés des détonations Chapman – Jouguet principalement car le brassage du mélange frais avec les gaz brûlés dégrade ses propriétés réactives. La faisabilité du moteur à détonation continue a été démontrée mais ses performances devront faire l'objet d'autres études pour en préciser l'intérêt en propulsion.

Les travaux réalisés dans le cadre de cette étude ont eu pour objectif de quantifier les performances propulsives d'un moteur à détonations pulsées (moteur à réaction à fonctionnement alternatif) et d'aborder sa configuration aérobie. L'étude des performances propulsives (impulsion spécifique, poussée) a été réalisée avec le mélange C2H4  O2, l'usage du mélange H2  air étant restreint au démonstrateur aérobie. Dans un premier temps, une étude analytique et théorique basée sur des résultats antérieurs a permis d'établir un modèle de performances pour le cas idéal de la chambre de combustion cylindrique entièrement remplie, fermée à l'une de ses extrémité et ouverte à l'autre sur l'atmosphère à la pression ambiante pa, l'écart à l'idéalité a été abordé en diminuant la pression de détonation devant la pression pa. Dans un deuxième temps, plusieurs études expérimentales (réalisées sur banc monocycle) ont été menées pour évaluer l'influence de i) la présence d'entrées d'air, ii) le remplissage partiel de la chambre iii) la présence de tuyères, iv) la présence d'obstacles proche de la section d'éjection, sur les performances réelles accessibles par ce type de moteur. Pour ce faire, des méthodes expérimentales spécifiques ont été mises en œuvre et validées (mesure de la pression sur le mur de poussée, visualisation par strioscopie, mesure de l'impulsion par pendule balistique) pour l'obtention des deux paramètres fondamentaux contrôlant les performances, l'impulsion spécifique et le temps de cycle, ce dernier déterminant le débit massique de mélange réactif maximal possible ou la fréquence maximale de fonctionnement. La réalisation d'un banc d'essai multicycle "en conditions réelles" a enfin permis de valider des solutions techniques (nécessité d'initier la détonation du mélange principal H2 - air- à l'aide d'un système de pré-détonation utilisant un mélange réactif très détonant C2H4  O2-) et d'observer certains phénomènes spécifiques du fonctionnement multicycle.

Dans le but d'améliorer le rendement des propulseurs aérospatiaux, on s'intéresse à l'utilisation de ladétonation dans le cycle moteur. Cette thèse porte sur le développement et l'utilisation d'un codepour la compréhension du fonctionnement d'un moteur à détonation continue (CDWE). Le 1erchapitre place le cadre de l'étude, et positionne le CDWE par rapport à différents concepts demoteurs à détonation. Un état des lieux des simulations numériques concernant le fonctionnementd'un CDWE est établi afin de justifier l'approche numérique à utiliser. Cette approche numérique estdétaillée dans le 2e chapitre. Les équations d'Euler, les modèles thermochimiques, ainsi que lesschémas cinétiques utilisés dans cette étude y sont présentés. Le 3e chapitre décrit les méthodesnumériques implémentées dans le code. Le schéma WENO d'ordre 5 est utilisé pour l'évaluation desflux numériques. L'avancement temporel est assuré par le schéma semi-implicite d'ordre 2 ASIRK2Cou explicite d'ordre 3 RK3. Le 4e chapitre est consacré à la technique de raffinement adaptatif demaillage (AMR) et à la bibliothèque choisie. Le code est testé dans le 5e chapitre sur différents cas etappliqué à la simulation d'une onde de détonation afin de préparer les simulations présentées dans ledernier chapitre. Le 6e chapitre présente les résultats des simulations d'un CDWE. La structure 2Dd'une onde de détonation continue est présentée et comparée avec la structure 3D. L'influence durayon de courbure du canal et l'effet d'une injection par une fente sur la structure de l'écoulementsont étudiés.

Notre étude vise à améliorer la compréhension des modes de rotation continue d’une détonation. Elle porte sur leur caractérisation dans une chambre annulaire de section,normale à son axe de révolution, constante ou linéairement croissante. Le principe de fonctionnement repose sur l’injection continue de gaz frais devant le front de détonation pour renouveler la couche réactive et entretenir sa propagation. Ce travail trouve son application dans le développement de systèmes propulsifs utilisant la détonation rotative comme mode de combustion (Rotating Detonation Engine, RDE). Nous avons conçu et réalisé un banc expérimental dont l’élément principal est une chambre annulaire de diamètre intérieur 50 mm, de longueur 90 mm et d’épaisseur 5 ou 10 mm. Elle peut être équipée de noyaux cylindrique ou conique, de longueurs comprises entre 12 mm et 90mm et, pour les cônes, de demi-angles au sommet compris entre 0± et 14.6±. Elle est alimentée par des injections séparées de carburant, l’éthylène, et d’oxydant, formé ici par un mélange d’oxygène et d’azote. Plusieurs concentrations d’azote ont été considérées de manière à étudier plusieurs détonabilités de mélange. La caractérisation des régimes de détonation, de leurs célérités et de leurs pressions, est fondée sur l’analyse de signaux de capteurs de pression dynamiques et sur des visualisations par caméras ultrarapides. Nos résultats expérimentaux détaillent la phase d’amorçage, les modes de combustion et leur stabilité. L’étude paramétrique, réalisée pour plusieurs détonabilités, débits massiques et géométries internes de la chambre, met en évidence que, si les deux premiers paramètres n’ont pas d’effet notable sur les célérités et les pressions des modes de détonation,la géométrie interne de la chambre joue, elle, un rôle majeur dans l’amélioration de ces caractéristiques, en particulier la diminution de la longueur du noyau et l’augmentation de sa conicité (de son demi-angle au sommet). Nous avons réalisé une étude numérique afin d’expliquer les déficits mesurés de célérité et de pression. Elle met en avant la dégradation des propriétés théoriques de détonation résultant de la dilution et du réchauffement des réactifs par les produits de détonation. Nous proposons également un calcul du rendement thermodynamique qui, à la différence de modélisations antérieures, prend en compte la structure d’une détonation rotative. Nous décrivons aussi un calcul de hauteur de front de détonation pour les modes et géométries de chambre considérés dans cette thèse. Notre étude démontre ainsi l’intérêt de futures recherches sur la géométrie interne des chambres annulaires à détonation rotative et sur la prise en compte des phénomènes à l’origine des pertes d’efficacité
Our study aims at improving the understanding of how a detonation may continuously rotate. It is focused on rotation modes in an annular chamber with constant or linearly increasing normal section. The functioning principle is based on the continuous injection of fresh reactive gases so as to regenerate a reactive layer ahead of the detonation front and maintain sufficient conditions for detonation propagation. The main incentive of the work is the development of propulsive devices that use detonation as the combustion mode (Rotating Detonation Engine, RDE). We have designed and built an experimental test bench of which the main part is an annular chamber with inner diameter 50 mm length 90 mm, and thickness 5 or 10 mm. The chamber can be equipped with cylindrical or conical kernels with lengths ranging between 12 mm and 90 mm and, for the conical kernels, with the apex half-angles ranging between 0± and 14.6±. The fuel is ethylene and the oxidizer is a mixture of oxygen and nitrogen, and they are injected separately in the chamber. We have considered several nitrogen concentrations so as to vary the reactive mixture detonability. The characterizations of the detonation regimes, velocities and pressures are based upon the analyses of signals from pressure transducers and of direct light visualizations from high-speed cameras. Our experimental results detail the ignition phase, the combustion modes and their stability. We have carried out experiments with several detonabilities, mass-flow rates and kernel geometries. Our main finding is that modifying the kernel geometry, specifically decreasing the kernel length and increasing its conicity (the apex half-angle) significantly improve detonation velocities and pressures, unlike the first two parameters that have much lesser influences, in our conditions. We have conducted a numerical analysis that suggests that dilution and heating of the fresh gases by detonation products explain the measured deficits of pressure and velocity. We have presented a calculation of thermodynamic efficiency which, contrary to former modeling includes a more realistic structure of rotating detonation.We have proposed a calculation of detonation-front height for the rotation modes and the chamber geometries in this work. Our study thus demonstrates the interest in further research work on inner geometry of rotating-detonation chambers and on phenomena that may be responsible for efficiency losses