Dissertations / Theses on the topic 'Moteur solide'
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Breil, Jérôme. "Modélisation du remplissage en propergol de moteur à propulsion solide." Bordeaux 1, 2001. http://www.theses.fr/2001BOR10505.
Abstract:
Cette these propose une modelisation numerique du remplissage en propergol de moteur a propulsion solide permettant de prendre en compte plusieurs fluides. La resolution des equations de navier-stokes diphasiques est assuree par une methode composee d'une premiere etape utilisant la methode du lagrangien. Augmente corrige par une methode de projection vectorielle. Le transport d'interface est assure par un suivi d'interface volumique sur maillage fixe, la methode vof ciam. La methodologie est validee, dans un premier temps, sur une maquette experimentale representative des geometries complexes rencontrees dans l'industrie des missiles. Des resultats sur une maquette remplie avec plusieurs fluides nous permettent de valider le modele de remplissage de gros chargement. La segregation des particules presentes dans le propergol est prise en compte par le modele de phillips. Le modele est alors valide sur l'ecoulement dans un canal charge en particules. Les interets de la simulation numerique sont mis en avant dans le cas de la grosse propulsion par l'etude du remplissage des boosters d'ariane v lors d'un cas de panne.
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Doisneau, François. "Eulerian modeling and simulation of polydisperse moderately dense coalescing spray flows with nanometric-to-inertial droplets : application to Solid Rocket Motors." Thesis, Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris, 2013. http://www.theses.fr/2013ECAP0030/document.
Abstract:
Dans un moteur à propergol solide, l’écoulement dépend fortement des gouttes d’alumine en suspension, dont la fraction massique est élevée. La distribution en taille des gouttes, qui s’élargit avec la coalescence, joue un rôle clef. Or résoudre des écoulements diphasiques polydisperses instationnaires avec une bonne précision sur la taille est un défi à la fois sur le plan de la modélisation et du calcul scientifique: (1) de très petites gouttes, par exemple résultant de la combustion de nanoparticules d’aluminium, subissent mouvement brownien et coalescence, (2) de petites gouttes ont leur vitesse conditionnée par leur taille de sorte qu’elles coalescent lorsqu’elles ont des tailles différentes, (3) des gouttes plus grosses peuvent se croiser par effet d’inertie et (4) toutes les gouttes interagissent de manière fortement couplée avec la phase porteuse. En complément des approches lagrangiennes, des modèles eulériens ont été développés pour décrire la phase dispersée à un coût raisonnable, et ils permettent un couplage aisé avec la phase porteuse ainsi que la parallélisation massive des codes: les approches eulériennes sont bien adaptées aux calculs industriels. Le modèle Multi-Fluide permet la description détaillée de la polydispersion, des coreélations taille/vitesse et de la coalescence, en résolvant séparément des “fluides” de gouttes triées par taille, appelés sections. Un ensemble de modèles est évalué dans cette thèse et une stratégie numérique est développée pour effectuer des calculs industriels de moteurs à propergol solide. (1) La physique des nanoparticules est évalué et incluse dans un modèle de coalescence complet. Des méthodes de moments d’ordre élevé sont ensuite développées: (2) une méthode à deux moments en taille est étendue à la coalescence pour traiter la physique de la polydispersion et les développements numériques connexes permettent d’effectuer des calculs applicatifs dans le code industriel CEDRE; (3) une méthode basée sur les moments en vitesse du deuxième ordre, un schéma de transport à l’ordre deux sur maillages structurés ainsi qu’un modèle de coalescence sont développés. Des validations académiques de la stratégie pour gouttes d’inertie modérée sont effectuées sur des écoulements complexes puis avec de la coalescence; (4) une stratégie d’intégration en temps est développée et mise en œuvre dans CEDRE pour traiter efficacement le couplage fort, dans des cas instationnaires et polydisperses incluant de très petites particules. L’ensemble des développements est soigneusement validé: soit par des formules analytiques ad hoc pour la coalescence et pour le couplage fort d’une onde acoustique; soit par des comparaisons numériques croisées avec une DPS pour la coalescence et avec des simulations lagrangiennes de cas applicatifs, coalescents et fortement couplés; soit par des résultats expérimentaux disponibles sur une configuration académique de coalescence et sur un tir de moteur à échelle réduite. La stratégie complète permet des calculs applicatifs à un coût raisonnable. En particulier, un cal- cul de moteur avec des nanoparticules permet d’évaluer la faisabilité de l’approche et d’orienter les efforts de recherche sur les propergols chargés de nanoparticulesIn solid rocket motors, the internal flow depends strongly on the alumina droplets, which have a high mass fraction. The droplet size distribution, which is wide and spreads up with coalescence, plays a key role. Solving for unsteady polydisperse two- phase flows with high accuracy on the droplet sizes is a challenge for both modeling and scientific computing: (1) very small droplets, e.g. resulting from the combustion of nanoparticles of aluminum fuel, encounter Brownian motion and coalescence, (2) small droplets have their velocity conditioned by size so they coalesce when having different sizes, (3) bigger droplets have an inertial behavior and may cross each other’s trajectory, and (4) all droplets interact in a two-way coupled manner with the carrier phase. As an alternative to Lagrangian approaches, some Eulerian models can describe the disperse phase at a moderate cost, with an easy coupling to the carrier phase and with massively parallel codes: they are well-suited for industrial computations. The Multi- Fluid model allows the detailed description of polydispersity, size/velocity correlations and coalescence by separately solving “fluids” of size-sorted droplets, the so-called sections. In the present work, we assess an ensemble of models and we develop a numerical strategy to perform industrial computations of solid rocket motor flows. (1) The physics of nanoparticles is assessed and included in a polydisperse coalescing model. High order moment methods are then developed: (2) a Two-Size moment method is ex- tended to coalescence to treat accurately the physics of polydispersity and coalescence and the related numerical developments allow to perform applicative computations in the industrial code CEDRE; (3) a second order velocity moment method is developed, together with a second order transport scheme, to evaluate a strategy for a moderately inertial disperse phase, and academic validations are performed on complex flow fields; (4) a time integration strategy is developed and implemented in CEDRE to treat efficiently two-way coupling, in unsteady polydisperse cases including very small particles. The developments are carefully validated, either through purposely derived analytical formulae (for coalescence and two-way acoustic coupling), through numerical cross-comparisons (for coalescence with a Point-Particle DNS, for applicative cases featuring coalescence and two-way coupling with a Lagrangian method), or through available experimental results (for coalescence with an academic experiment, for the overall physics with a sub-scale motor firing). The whole strategy allows to perform applicative computations in a cost effective way. In particular, a solid rocket motor with nanoparticles is computed as a feasibility case and to guide the research effort on motors with nanoparticle fuel propellants
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Muller, Mathieu. "Modélisation de la combustion de gouttes d'aluminium dans les conditions d'un moteur fusée à propergol solide." Thesis, Sorbonne université, 2019. http://www.theses.fr/2019SORUS267.
Abstract:
L’objet de cette thèse est d’étudier la combustion de gouttes d’aluminium (Al) dans les conditions d’un moteur-fusée à propergol solide. On a besoin de modéliser ce processus pour évaluer le temps de combustion et la taille des résidus car leur caractérisation dans les conditions réelles est très complexe. Un modèle de combustion d’une goutte en approche multiphysique à symétrie sphérique a été développé tenant compte de nombreux phénomènes physico-chimiques. Ce modèle a été validé et utilisé pour étudier les mécanismes réactionnels en phase gazeuse et en surface. Des simulations en ambiance contrôlée ont été réalisées et les résultats obtenus sont comparés aux données expérimentales de la littérature. L’étude de la combustion de deux classes de gouttes d’Al (particule primaire et agglomérat) en ambiance typique d’un booster Ariane 5 a été menée afin d’évaluer l’effet des différentes cinétiques hétérogènes de surface sur le processus de combustion simulé. Suite à l’intégration du modèle de surface réactive dans le code CEDRE de l’ONERA, les simulations de la combustion ont été poursuivies en approche bidimensionnelle axisymétrique afin d’étudier l’influence de la calotte en surface de la goutte et de la convection des gaz oxydants. La simulation de la combustion établie des deux classes de goutte à 5 et 9 MPa à différents stades d’avancement a permis d’évaluer les caractéristiques principales de la combustion et d’en déduire une loi de combustion globale. Enfin, la phase de chauffage avant établissement de la combustion a été étudiée pour compléter la caractérisationThe purpose of this thesis is to study the aluminum (Al) droplet combustion in solid rocket motor propellant. We need to model this process to evaluate the burning time and the residues length because their characterization in real conditions is very complex. A combustion model of a single droplet with a multiphysical spherical approach has been developed taking into account various phenomena. This model has been validated and used to study gaseous and surface mechanisms. Simulations in controlled atmospheres were made and the results were compared to experimental data. The study of the combustion of two particle classes (primary particle and agglomerate) under conditions typical for the Ariane 5 solid booster was conducted to evaluate the effect of different heterogeneous surface kinetics on the simulated combustion process. After the integration of the reactive surface model in the ONERA code CEDRE, simulations of the combustion using a two-dimensional axisymmetric approach were made to study the impact of the cap on the droplet surface and the convection velocity of oxidizers. By simulating the established combustion of two droplet classes at two pressures (5 and 9 MPa) in different stages of combustion, we evaluated main characteristics of the combustion and we deducted a global burning law. Finally, the heating of the droplet before an established combustion was studied to complete the characterization
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Poubeau, Adèle. "Simulation des émissions d'un moteur à propergol solide : vers une modélisation multi-échelle de l'impact atmosphérique des lanceurs." Thesis, Toulouse 3, 2015. http://www.theses.fr/2015TOU30039/document.
Abstract:
Les lanceurs ont un impact sur la composition de l'atmosphere, et en particulier sur l'ozone stratospherique. Parmi tous les types de propulsion, les moteurs à propergol solide ont fait l'objet d'une attention particulière car leurs émissions sont responsables d'un appauvrissement significatif d'ozone dans le panache des lanceurs lors des premières heures suivant le lancement. Ce phénomène est principalement dû à la conversion de l'acide chlorhydrique, un composé chimique présent en grandes quantités dans les émissions de ce type de moteur, en chlore actif qui réagit par la suite avec l'ozone dans un cycle catalytique similaire à celui responsable du "trou de la couche d'ozone", cette diminution périodique de l'ozone en Antarctique. Cette conversion se produit dans le panache supersonique, où les hautes températures favorisent une seconde combustion entre certaines espèces chimiques du panache et l'air ambiant. L'objectif de cette étude est d'évaluer la concentration de chlore actif dans le panache d'un moteur à propergol solide en utilisant la technique des Simulations aux Grandes Echelles (SGE). Le gaz est injecté à travers la tuyère d'un moteur et une méthode de couplage entre deux instances du solveur de mécanique des fluides est utilisée pour étendre autant que possible le domaine de calcul derrière la tuyère (jusqu'à l'équivalent de 400 diamètres de sortie de la tuyère). Cette méthodologie est validée par une première SGE sans chimie, en analysant les caractéristiques de l'écoulement supersonique avec co-écoulement obtenu par ce calcul. Ensuite, le chimie mettant en jeu la conversion des espèces chlorées a été étudiée au moyen d'un modèle "hors-ligne" permettant de résoudre une chimie complexe le long de lignes de courant extraites d'un écoulement moyenné dans le temps résultant du calcul précédent (non réactif). Enfin, une SGE multi-espèces est réalisée, incluant un schéma chimique auparavant réduit afin de limiter le coût de calcul. Cette simulation représente une des toutes premières SGE d'un jet supersonique réactif, incluant la tuyère, effectuée sur un domaine de calcul aussi long. En capturant avec précision le mélange du panache avec l'air ambiant ainsi que les interactions entre turbulence et combustion, la technique des simulations aux grandes échelles offre une évaluation des concentrations des espèces chimiques dans le jet d'une precision inédite. Ces résultats peuvent être utilisés pour initialiser des calculs atmosphériques sur de plus larges domaines, afin de modéliser les réactions entre chlore actif et ozone et de quantifier l'appauvrissement en ozone dans le panacheRockets have an impact on the chemical composition of the atmosphere, and particularly on stratospheric ozone. Among all types of propulsion, Solid-Rocket Motors (SRMs) have given rise to concerns since their emissions are responsible for a severe decrease in ozone concentration in the rocket plume during the first hours after a launch. The main source of ozone depletion is due to the conversion of hydrogen chloride, a chemical compound emitted in large quantities by ammonium perchlorate based propellants, into active chlorine compounds, which then react with ozone in a destructive catalytic cycle, similar to those responsible for the Antartic "Ozone hole". This conversion occurs in the hot, supersonic exhaust plume, as part of a strong second combustion between chemical species of the plume and air. The objective of this study is to evaluate the active chlorine concentration in the far-field plume of a solid-rocket motor using large-eddy simulations (LES). The gas is injected through the entire nozzle of the SRM and a local time-stepping method based on coupling multi-instances of the fluid solver is used to extend the computational domain up to 400 nozzle exit diameters downstream of the nozzle exit. The methodology is validated for a non-reactive case by analyzing the flow characteristics of the resulting supersonic co-flowing under-expanded jet. Then the chemistry of chlorine is studied off-line using a complex chemistry solver applied on trajectories extracted from the LES time-averaged flow-field. Finally, the online chemistry is analyzed by means of the multi-species version of the LES solver using a reduced chemical scheme. To the best of our knowledge, this represents one of the first LES of a reactive supersonic jet, including nozzle geometry, performed over such a long computational domain. By capturing the effect of mixing of the exhaust plume with ambient air and the interactions between turbulence and combustion, LES offers an evaluation of chemical species distribution in the SRM plume with an unprecedented accuracy. These results can be used to initialize atmospheric simulations on larger domains, in order to model the chemical reactions between active chlorine and ozone and to quantify the ozone loss in SRM plumes
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Richard, Julien. "Développement d'une chaîne de calcul pour les interactions fluide-structure et application aux instabilités aéro-acoustiques d'un moteur à propergol solide." Thesis, Montpellier 2, 2012. http://www.theses.fr/2012MON20256/document.
Abstract:
Les moteurs à propergol solide sont parfois le siège d'instabilités aéroacoustiques résultant d'un couplage entre l'hydrodynamique des gaz brûlés et les modes acoustiques de la chambre de combustion. Ces instabilités se traduisent par de fortes Oscillations de Pression (ODP) dans la chambre de combustion du moteur. Ces ODP entrainent des vibrations de la structure, qui si elles venaient à dépasser certains niveaux pourraient nuire à la charge utile. Au vu du coût d'un essai, il est important de disposer d'outils permettant de prédire l'apparition de ces instabilités au moment de la conception. L'objectif de cette thèse est en premier lieu la mise au point d'une chaîne de couplage permettant d'évaluer l'impact des interactions fluide-structure sur l'amplitude des oscillations aéroacoustiques présentes au sein du propulseur. Une attention particulière est portée à l'algorithme de couplage entre les solveurs fluide et solide afin d'assurer une bonne conservation de l'énergie à l'interface fluide-structure, point clé dans l'étude d'instabilités. La chaîne numérique ainsi conçue est appliquée à une configuration réduite du moteur à propergol solide d'Ariane 5 dans le cadre de deux études. La première porte sur l'impact des vibrations de la structure sur les d'instabilités aéroacoustiques. L'effet d'un croisement de fréquences des modes propres longitudinaux de la structure et un des modes acoustiques de la chambre de combustion est traité. La seconde étude s'intéresse à l'effet des battements des protections thermiques du propulseur dans l'écoulement. Une structuration de l'écoulement et un net renforcement des ODP sont mis en évidenceLarge solid propellant rocket motors may be subjected to aero-acoustic instabilities arising from a coupling between the burnt gas flow and the acoustic eigenmodes of the combustion chamber. These instabilities lead to large pressure oscillations in the combustion chamber. These pressure oscillations cause vibrations which might jeopardize the payload if they happen to be larger than a certain threshold. Given the size and cost of any single firing test or launch, it is of first importance to rely on numerical tools able to predict these instabilities so that they can be avoided at the design level. The first purpose of this thesis is to build a numerical tool in order to evaluate how the coupling of the fluid flow and the whole structure of the motor influences the amplitude of the aeroacoustic oscillations living inside the rocket. A particular attention was paid to the coupling algorithm between the fluid and the solid solvers in order to ensure the best energy conservation through the interface.The numerical chain is applied to a sub-scaled configuration of Ariane 5 solid rocket motor in two studies. The first relates to the impact of vibration of the structure on aeroacoustic instabilities. The effect of a crossover frequency between the longitudinal modes of the structure and the acoustic modes of the combustion chamber is assessed. The second study examines the effect of thermal protection oscillations in the flow. An increased of the flow organisation and a significant strengthening of pressure oscillations are highlighted
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Kiyoshi, Shimote Wilson. "Modélisation des phénomènes d'ablation de l'insert d'une tuyère de moteur-fusée à propergol solide. Approche expérimentale et numérique." Thesis, Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique, 2016. http://www.theses.fr/2016ESMA0028/document.
Abstract:
L'analyse et la compréhension des mécanismes d'érosion en présence d'un environnement critique au niveau de pression et de température des produits de combustion d'un propergol solide au sein d'une tuyère de moteur fusée, constituent l'objectif principal de ce présent mémoire. Les principaux paramètres, le pourcentage d'aluminium dans l'écoulement, la température adiabatique de flamme.le flux de chaleur en face de la géométrie de l' insert et ses propriétés thermochimiques, sont plus particulièrement étudiés à travers une approche numérique et expérimentale. Le phénomène d'ablation qui se produit au niveau de l' insert d'une tuyère pendant le fonctionnement du moteur propergol solide est ainsi étudié et des résultats d'essais des moteurs à échelle réduite et pleine sont présentés puis simulés numériquement. En effet, les essais mis en place, riches en résultats sur les conditions du matériau de l'insert avant et après le tir, ne permettent pas une analyse complète du développement des mécanismes en jeu au cours du temps de fonctionnement des moteurs. Pour introduire ces phénomènes physiques plutôt complexes, une stratégie de développement progressive est mise en place. Au départ, un modèle 1D a traité les équations de transfert de chaleur utilisant une technique de discrétisation numérique multi-blocs. A partir de la méthode 1D, des expressions simples pour représenter l'évolution des fronts d'ablation et de pyrolyse sont définies.Ces expressions sont alors utilisées de façon directe sur le traitement des problèmes axisymétriques et confrontées avec les simulations du moteur test. Finalement, la méthode aux frontières immergées est appliquée pour traiter du couplage entre l'écoulement et l'insert, mettant en évidence le phénomène d'ablation. Les simulations numériques reproduisent les résultats expérimentaux et montrent une méthodologie numérique robuste, correspondant à des attentes en ce qui concerne l'évaluation du phénomène d'ablation au sein d'une tuyère de moteur fuséeThe main objective of this study is understand the ablation mechanisms in the presence of a critical environment in pressure and temperature within a solid propellant rocket motor. The well-known parameters, aluminum percentage in the flow, adiabatic flame temperature and the consequent heat flux in front of the geometry of the insert and its thermochemical properties are studied from anumerical and experimental strategy. The ablation phenomenon, which occurs at the nozzle insert during the operation of the solid propellant rocket motor, is th us studied and results of tests of the small and full-scale motors are presented as well as numerically simulated. Indeed, tests carried-out provide results on the conditions of the material of the insert before and after firing tests, do not allow is to provide a complete analysis of the development of the mechanisms involved during the running time of the engines. To introduce these rather complex physical phenomena a strategy of progressive development is followed. Initially, a 1D model treated the heat transfer equations using a multi-block numerical discretization technique. From the 1D method, simple expressions to represent the evolution of the ablation and pyrolysis fronts are defined. These expressions are then used directly on the treatment of axisymmetric problems and confronted with simulations of the scale motor. Finally, the immersed boundary method is applied to tackle coupling between flow and heat transfer on the insert, highlighting the phenomenon of ablation. The numerical simulations reproduce the experimental results and show a robust numerical methodology, corresponding to expectations in what concerns the evaluation of the ablation phenomenon within a solid propellant rocket motor nozzle
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Pascal, Jérôme. "Vitesse de combustion d'un propergol solide composite en présence d'oscillations de la vitesse de l'écoulement." Paris 11, 1987. http://www.theses.fr/1987PA112066.
Abstract:
Le couplage entre les oscillations de vitesse de l'écoulement dans un moteur-fusée à propergol solide et la combustion du propergol est décrit par un modèle phénoménologique. Ce dernier est une adaptation des modèles de combustion érosive des propergols composites qui rendent compte des observations expérimentales en régime stationnaire. Les effets de seuil sont intégralement pris en compte dans la loi de vitesse de combustion érosive instationnaire. Les expressions générales de la vitesse de combustion érosive moyenne, de la réponse linéaire à une oscillation sinusoïdale de la vitesse, ainsi que de la réponse sur un harmonique de rang quelconque, en sont déduites. Ces expressions sont intégrées à un programme de calcul et sont appliquées à l'analyse de mesures effectuées au propulseur à éjection modulée. Leur utilisation permet de remonter De manière satisfaisante aux effets des oscillations de vitesse sur l'érosion moyenne pression mesurée et sur la réponse linéaire du propergol déduite du champ de pression acoustique. Indépendamment, une étude de l'influence d'une phase condensée présente dans les produits de combustion est entreprise pour être appliquée au cas d'un propergol aluminisé.
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Breton, Mélanie. "Détection de l'allumage d'un moteur-fusée à propergol solide avec une matrice linéaire de filtres holographiques et par diffraction conique." Thesis, Université Laval, 2007. http://www.theses.ulaval.ca/2007/24914/24914.pdf.
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Lacassagne, Laura. "Simulations et analyses de stabilité linéaire du détachement tourbillonnaire d'angle dans les moteurs à propergol solide." Phd thesis, Toulouse, INPT, 2017. http://oatao.univ-toulouse.fr/17932/1/Lacassagne_Laura_INPT.pdf.
Abstract:
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 et la simulation numérique est un outil indispensable dans leur analyse. De nombreux travaux ont permis de mettre en évidence divers mécanismes générateurs d'oscillations, mais la conception des nouveaux moteurs favorise la formation d'une instabilité hydrodynamique, appelée VSA et caractérisée par des détachements tourbillonnaire au niveau des discontinuités de la surface débitante. Etudiée dans les travaux sur le C1x [Vuillot 1995, Dupays 1996], il reste cependant divers points à aborder afin d'avoir une vision complète des mécanismes qui pilotent et modifient cette instabilité. Pour cela, il a été choisi dans ces travaux d'isoler le VSA dans une configuration académique et d'étudier dans un premier temps, l'impact du soufflage latéral, généré par un dégagement gazeux du à la combustion d'un bloc de propergol en aval de l'angle. Les deux approches utilisées, à savoir la simulation numérique et la stabilité linéaire, démontrent que le soufflage latéral possède un fort effet stabilisant sur le VSA. Dans un deuxième temps, l'impact de la combustion des particules d'aluminium et des résidus, présents dans un moteur à propergol solide, est analysé. Ces travaux montrent que les particules, via des mécanismes complexes, peuvent jouer à la fois un rôle stabilisant et déstabilisant sur le VSA. Pour finir, l'impact de la mise à l'échelle sur l'instabilité est étudié. Si en gaz seul, les résultats obtenus à échelle réduite sont directement transposables vers l'échelle réelle, la mise à l'échelle modifie le comportement des particules dans les structures tourbillonnaires et donc leur rôle sur l'instabilité.
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Silvestrini, Jorge Hugo. "Simulation des grandes échelles des zones de mélange : application à la propulsion solide des lanceurs spatiaux." Grenoble INPG, 1996. http://www.theses.fr/1996INPG0104.
Abstract:
On presente le formalisme de la simulation des grandes echelles (les) pour l'etude des ecoulements turbulents incompressibles et compressibles, puis les modeles sous-maille qui tiennent compte des echelles plus petites que la maille de calcul. Des tests, en configuration de couche de melange temporelle, permettent de mettre en evidence le comportement de differents modeles. Ensuite, des les des couches de melanges tridimensionnelles temporelles et spatiales sont presentees. Dans le deux cas, on teste deux types de perturbations sur la condition initiale (condition d'entree pour le probleme spatial): une 3d isotrope et l'autre quasi-bidimensionnelle. Ces simulations mettent en evidence: l'origine et l'evolution des tourbillons longitudinaux secondaires qui caracterisent les couches de melanges, leurs caracteristiques principales telles que longueur, DIAMETRE ET INTENSITE, L'EVOLUTION DE LEUR DIAMETRE AVEC L'APPARIEMENT DES TOURBILLONS PRIMAIRES DE KELVIN-HELMHOLTZ ET L'AJUSTEMENT DE LEUR ESPACEMENT AVEC LA SEPARATION ENTRE STRUCTURES PRIMAIRES. DES SIMULATIONS AVEC DIFFERENTES PERTURBATIONS METTENT EN EVIDENCE LA SENSIBILITE DE LA COUCHE DE MELANGE AUX CONDITIONS INITIALES OU CONDITIONS D'ENTREE. UNE SIMULATION TEMPORELLE, AVEC DES PERTURBATIONS INITIALES 3D ISOTROPES, PERMET D'ARRIVER A UN ETAT DE TURBULENCE PLEINEMENT DEVELOPPEE EN REGIME AUTO-SIMILAIRE. CECI EST VERIFIE AVEC DES DONNEES EXPERIMENTALES. FINALEMENT, ON PRESENTE DES SIMULATIONS REALISEES DANS DES GEOMETRIES SIMPLIFIEES D'UN MOTEUR A PROPERGOL SOLIDE COMME CELUI DU PROPULSEUR A POUDRE DU LANCEUR SPATIAL ARIANE 5. EN PLUS DE LACHERS DES TOURBILLONS DE KELVIN-HELMHOLTZ ON A MIS EN EVIDENCE DEUX TYPES D'INSTABILITES SECONDAIRES QUI SONT A L'ORIGINE DE LA FORMATION DES TOURBILLONS LONGITUDINAUX. DANS UN CAS IL APPARAIT DES TOURBILLONS LONGITUDINAUX ANALOGUES A CEUX OBSERVES DANS LES COUCHES DE MELANGE TANDIS QUE DANS L'AUTRE CAS, IL S'AGIT PLUTOT DE TOURBILLONS DE GORTLER, PRODUITS PAR LE DETACHEMENT DE LA COUCHE LIMITE EN AMONT DE LA TUYERE. CES TOURBILLONS SONT RESPONSABLES DE L'ELARGISSEMENT VERS LES HAUTES ET LES BASSES FREQUENCES, DU SPECTRE D'ENERGIE CINETIQUE MESURE EN MI-CHAMBRE
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Doisneau, François. "Modélisation et simulation d'écoulements diphasiques polydisperses modérément denses chargés de particules nonométriques à modérément inertielles avec coalescence : application aux moteurs à propergol solide." Phd thesis, Ecole Centrale Paris, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00966185.
Abstract:
Dans un moteur à propergol solide, l'écoulement dépend fortement des gouttes d'alumine en suspension, dont la fraction massique est élevée. La distribution en taille des gouttes, qui s'élargit avec la coalescence, joue un rôle clef. Or résoudre des écoulements diphasiques polydisperses instationnaires avec une bonne précision sur la taille est un défi à la fois sur le plan de la modélisation et du calcul scientifique: (1) de très petites gouttes, par exemple résultant de la combustion de nanoparticules d'aluminium, subissent mouvement brownien et coalescence, (2) de petites gouttes ont leur vitesse conditionnée par leur taille de sorte qu'elles coalescent lorsqu'elles ont des tailles différentes, (3) des gouttes plus grosses peuvent se croiser par effet d'inertie et (4) toutes les gouttes interagissent de manière fortement couplée avec la phase porteuse. En complément des approches lagrangiennes, des modèles eulériens ont été développés pour décrire la phase dispersée à un coût raisonnable, et ils permettent un couplage aisé avec la phase porteuse ainsi que la parallélisation massive des codes: les approches eulériennes sont bien adaptées aux calculs industriels. Le modèle Multi-Fluide permet la description détaillée de la polydispersion, des coreélations taille/vitesse et de la coalescence, en résolvant séparément des "fluides" de gouttes triées par taille, appelés sections. Un ensemble de modèles est évalué dans cette thèse et une stratégie numérique est développée pour effectuer des calculs industriels de moteurs à propergol solide. (1) La physique des nanoparticules est évalué et incluse dans un modèle de coalescence complet. Des méthodes de moments d'ordre élevé sont ensuite développées: (2) une méthode à deux moments en taille est étendue à la coalescence pour traiter la physique de la polydispersion et les développements numériques connexes permettent d'effectuer des calculs applicatifs dans le code industriel CEDRE; (3) une méthode basée sur les moments en vitesse du deuxième ordre, un schéma de transport à l'ordre deux sur maillages structurés ainsi qu'un modèle de coalescence sont développés. Des validations académiques de la stratégie pour gouttes d'inertie modérée sont effectuées sur des écoulements complexes puis avec de la coalescence; (4) une stratégie d'intégration en temps est développée et mise en œuvre dans CEDRE pour traiter efficacement le couplage fort, dans des cas instationnaires et polydisperses incluant de très petites particules. L'ensemble des développements est soigneusement validé: soit par des formules analytiques ad hoc pour la coalescence et pour le couplage fort d'une onde acoustique; soit par des comparaisons numériques croisées avec une DPS pour la coalescence et avec des simulations lagrangiennes de cas applicatifs, coalescents et fortement couplés; soit par des résultats expérimentaux disponibles sur une configuration académique de coalescence et sur un tir de moteur à échelle réduite. La stratégie complète permet des calculs applicatifs à un coût raisonnable. En particulier, un cal- cul de moteur avec des nanoparticules permet d'évaluer la faisabilité de l'approche et d'orienter les efforts de recherche sur les propergols chargés de nanoparticules.
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Bernigaud, Pierre. "Modélisation de la combustion des matériaux énergétiques nouvelle génération." Electronic Thesis or Diss., Institut polytechnique de Paris, 2023. http://www.theses.fr/2023IPPAE017.
Abstract:
Employés dans les moteurs fusée civiles et militaires, les propergols composites sont caractérisés par une structure hétérogène au niveau microscopique. Ils sont constitués principalement de particules oxydantes insérées au sein d’une matrice de polymère, appelée liant. Le liant maintient l’intégralité structurelle du propergol, et fournit par sa pyrolyse des gaz dont la combustion est responsable de la majorité du dégagement de chaleur dans la flamme. Les produits de combustion des particules oxydantes permettent l’oxydation du fuel généré par la pyrolyse du liant.Le perchlorate d'ammonium (PA) est un oxydant largement utilisé dans les propergols composites, principalement en association avec un liant polymère tel que le polybutadiène hydroxytéléchélique (PBHT). Les propergols nouvelle génération pourraient inclure des nitramines dans leur composition, telles que l'hexogène (RDX), en remplacement partiel du PA pour certaines fins spécifiques. En particulier, la réduction de la quantité de PA contenue dans le propergol permet de limiter la formation d'une traîné visible à l'échappement du moteur, réduisant la signature du véhicule.Dans cette thèse, nous proposons de revisiter les études menées sur la combustion des propergols PA/PBHT classiques, ainsi que de caractériser l'effet de l'inclusion du RDX dans leur composition.A cette fin, une première partie de la thèse est dédiée à la mise en place de modèles de combustion pour les ingrédients considérés: PA, mélange PA/PBHT homogénéisé, et RDX.Un mécanisme de cinétique chimique est mis au point, capable de représenter les processus chimiques caractéristiques de la combustion de l'ensemble de ces matériaux énergétique. Pour chaque ingrédient, un modèle de décomposition en phase condensée est par ailleurs formulé, pour être associé au mécanisme cinétique. Des simulations unidimensionnels sont alors réalisées en approche couplée flamme/solide, afin de valider l’ensemble sur les données expérimentales disponibles.De part leur structure hétérogène, l'étude de la combustion d'un propergol composite nécessite l'utilisation de méthodes numériques multidimensionnelles. Une seconde partie de la thèse est donc dédiée au développement et à la validation d’un code de calcul 2D, permettant la simulation de la combustion d’une particule oxydante entourée d'une couche de liant, en configuration axisymmétrique.Dans une dernière partie, les modèles de combustion mis au point sont utilisés conjointement avec le code de calcul développé afin d’étudier l’effet de l’inclusion du RDX dans un propergol PA/PBHT classique. Pour la première fois, la structure de la flamme produite par un propergol PA/PBHT/RDX est obtenue et caractérisée. Une étude est menée sur l'effet de la pression et de la taille des grains de RDX sur la régression du propergol, mettante en évidence l’existence de différents régimes de combustion. Des recommandations sont faites afin d'optimiser les performances de ce type de compositionUsed in civil and military rocket engines, composite propellants are characterized by a heterogeneous structure at the microscopic level. They consist mainly of oxidizer particles embedded in a polymer matrix known as the binder. The binder maintains the structural integrity of the propellant, and produces via its pyrolysis gases whose combustion is responsible for most of the heat release within the flame. The combustion products of the oxdizer particles oxidize the fuel generated by the binder.Ammonium perchlorate (AP) is a widely used oxidizing agent in composite propellants, mainly in association with a polymer binder such as hydroxytelechelic polybutadiene (HTPB). Next-generation propellants could include nitramines in their composition, such as hexogen (RDX), as a partial replacement for AP for certain specific purposes. In particular, reducing the amount of AP contained in the propellant can limit the formation of a visible trail at the engine exhaust, reducing the vehicle's signature.In this thesis, we propose to revisit the studies carried out on the combustion of conventional AP/HTPB propellants, and to characterize the effect of RDX inclusion in their composition.To this end, the first part of the thesis is dedicated to the development of combustion models for the ingredients under consideration: AP, homogenized AP/HTPB blend, and RDX.A chemical kinetics mechanism is assembled, capable of representing the chemical processes characteristic of the combustion of all these energetic materials. For each ingredient, a condensed-phase decomposition model is also formulated, to be associated with the kinetic mechanism. One-dimensional simulations are then carried out using a coupled flame/solid approach, in order to validate the whole on available experimental data.Due to their heterogeneous structure, the study of composite propellant combustion requires the use of multidimensional numerical methods. A second part of the thesis is therefore dedicated to the development and validation of a 2D calculation code, enabling the simulation of the combustion of an oxidizer particle surrounded by a layer of binder, in an axisymmetric configuration.In a final section, the combustion models and the computational code are used in conjunction to study the effect of RDX inclusion in a conventional AP/HTPB propellant. For the first time, the flame structure produced by such AP/HTPB/RDX propellant is obtained and characterized. The effect of pressure and RDX particle size on propellant regression is investigated, demonstrating the existence of different combustion regimes. Recommendations are made for optimizing the performance of this type of composition
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Cesco, Nathalie. "Étude et modélisation de l'écoulement diphasique à l'intérieur des propulseurs à poudre." Toulouse, ENSAE, 1997. http://www.theses.fr/1997ESAE0019.
Abstract:
Pour augmenter les performances des moteurs à propergol solide des lanceurs spatiaux comme Ariane 5, le propergol est enrichi en aluminium. Lorsque celui-ci brûle, les particules d'aluminium restent à l'état de phase condensée et sont dispersées dans la chambre. Une partie d'entre elles s'accumule dans la cavité du fond arrière laissée par la tuyère intégrée. L'objectif de cette thèse est d'aider à une meilleure compréhension des mécanismes qui régissent la formation de ce dépôt en étudiant l'écoulement diphasique qui en est à l'origine. Cet écoulement est simulé numériquement en prenant en compte plusieurs phénomènes liés aux particules. La modélisation de l'écoulement gazeux et de la dispersion turbulente des particules est réalisée par une méthode Euler-Lagrange. La modélisation de la combustion de l'aluminium est étudiée et appliquée aux propulseurs à poudre. Une simulation de l'écoulement en prenant en compte la distribution de la combustion dans la chambre avec rétroaction sur l'écoulement gazeux ainsi qu'une répartition bimodale de la taille des particules est réalisée sur une configuration de petit moteur expérimental. Les résultats confirment bien que l'influence de la combustion de l'aluminium est pour ce type de configuration, répartie dans toute la chambre. Enfin, la formation du dépôt est abordée avec dans un premier temps une étude du comportement de la goutte lors de l'impact avec la paroi puis une modélisation de la formation et de la dynamique du film liquide qu'elles créent sur la paroi de la tuyère. Le modèle ainsi construit est appliqué au cas du moteur d'Ariane 5 à échelle réelle afin d'étudier l'emplacement du point d'arrêt du film, ce qui permettra de définir des critères de capture des particules.
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Briault, Pauline. "Développement d'une cellule SOFC de type monochambre pour la conversion en électricité des gaz d'échappement d'un moteur thermique." Phd thesis, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, 2014. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00993720.
Abstract:
Le projet présenté dans ce mémoire a pour objectif de développer un système de récupération d'énergie des gaz d'échappement d'un véhicule à essence. Constitué de piles à combustible à oxyde solide (SOFC) en configuration monochambre, le dispositif doit convertir l'énergie chimique des gaz imbrûlés en électricité. Son fonctionnement en aval du catalyseur trois voies permettrait de compléter son action dépolluante tout en améliorant l'efficacité énergétique du véhicule. Par opposition aux piles SOFC dites conventionnelles, les piles SOFC monochambres ne nécessitent pas de scellement étanche entre les compartiments et fonctionnent sous un mélange gazeux composé d'hydrocarbures et d'oxygène. L'empilement en stack de plusieurs cellules est simplifié et plus compact, son intégration au cœur du pot d'échappement est donc plus simple. Ce concept a été précédemment étudié dans la littérature et le présent projet a pour but d'améliorer les performances délivrées en optimisant certains paramètres : la géométrie de pile et les matériaux d'électrodes et d'électrolyte. De plus, un mélange gazeux plus représentatif des conditions réelles a été défini et utilisé tout au long du projet. Une étude préliminaire sur les matériaux sous forme de poudre a permis de réaliser un premier choix parmi quatre matériaux de cathode et de définir les conditions de fonctionnement théoriques des cellules. Ensuite, les cellules complètes ont été mises en forme puis étudiées sous mélange gazeux. Une densité maximale de puissance de 25 mW.cm-2 à 550°C pour une cellule Ni-CGO/CGO/LSCF-CGO a ainsi pu être obtenue.
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Genot, Aurélien. "Instabilités thermoacoustiques dans les moteurs à propergol solide." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLC032/document.
Abstract:
Dans un moteur à propergol solide, des instabilités thermoacoustiques auto-entretenues, induites par le couplage de la dynamique de la combustion des gouttes d’aluminium, libérées par la combustion du propergol, avec le champ acoustique peuvent induire des oscillations de pression.L’analyse menée tout au long de ce manuscrit repose sur un ensemble d’hypothèses simplificatrices: (i) la réponse de la combustion de gouttes d’aluminium aux perturbations acoustiques est contrôlée par l’écoulement local autour de la goutte, (ii) le processus de combustion peut être supposé quasi stationnaire pour la gamme de fréquences et les amplitudes acoustiques étudiées et (iii) la combustion de l’aluminium est brusquement arrêtée lorsque le diamètre de la goutte d’aluminium diminue en dessous d’un diamètre résiduel.L’instabilité thermoacoustique est étudiée au moyen de simulations numériques de l’écoulement dans un moteur générique et d’analyses théoriques. Le diamètre résiduel des gouttes d’aluminium après la combustion, l’amplitude de la perturbation acoustique et la durée de la combustion des gouttes d’aluminium figurent parmi les principaux paramètres modifiant l’instabilité. En outre, trois comportements de réponse de la combustion à l’acoustique sont identifiés : un comportement linéaire pour les faibles niveaux de pression acoustique puis un comportement quadratique (faiblement non-linéaire) et enfin un comportement fortement non-linéaire quand l’amplitude des oscillations augmente.Ensuite, deux aspects importants de la réponse des gouttes d’aluminium sont identifiés. Ils sont associés aux oscillations de la durée du temps de combustion des gouttes, identifiables à la frontière du nuage de gouttes, et aux fluctuations du taux d’évaporation contrôlées par la convection de l’écoulement gazeux autour de chaque goutte. Tenant compte de ces dynamiques,des expressions analytiques sont obtenues permettant de reproduire avec précision les résultats numériques des simulations de l’écoulement. Quatre nombres sans dimension qui régissent la dynamique de ces instabilités sont également identifiés. Inspiré de l’analyse théorique précédente, un modèle numérique d’ordre réduit faiblement non linéaire est finalement développé pour prédire des cycles limitesIn a solid rocket motor, self-sustained thermo-acoustic instabilities, induced by the coupling of the combustion dynamics of aluminum droplets released by the burning propellant with the acoustic field can induce pressure oscillations.The analysis conducted throughout this manuscript relies thus on a set of simplifying hypothesis by assuming (i) that the response of the combustion of aluminum droplets to acoustic perturbations is controlled by the oscillating drag exerted by the local flow around the droplet, (ii) that this unsteady combustion process can be assumed quasi-steady for the range of frequencies and acoustic amplitudes studied and (iii) that aluminum combustion is abruptly quenched when the aluminum droplet diameter falls below a residual diameter.The thermo-acoustic instability is studied first by numerical flow simulations in a generic solid rocket motor and theoretical analyses. The post-combustion residual diameter of the aluminum particles, the amplitude of acoustic perturbation and the lifetime of the burning aluminum droplets are among the main parameters altering the instability. Also, three combustion response behaviors to acoustics are identified : a linear behavior for small acoustic pressure levels followed by a quadratic behavior then a highly non-linear behavior when the pressure amplitude increases in the motor chamber. Moreover, two important features of the response of aluminum droplets are identified. They are associated to oscillations of the droplet lifetime at the boundary of the droplet cloud and to fluctuations of the droplet evaporation rate, controlled by convection. The dynamics of the droplets highly depends on gas and droplet velocity fields and on droplet diameter. Taking these features into account, yields analytical expressions that allow to reproduce with accuracy the numerical results from the flow simulations. Four dimension less numbers are then identified. They govern the dynamics of these instabilities. Inspired from the previous theoretical analysis, a weakly nonlinear low-order numerical model is finally developed to predict limit cycles
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Chedevergne, François. "Instabilités intrinsèques des moteurs à propergol solide." Toulouse, ENSAE, 2007. http://www.theses.fr/2007ESAE0009.
Abstract:
Les longs moteurs segmentés à propergol solide sont sujets à des oscillations de poussée (ODP), particulièrement en fin de tir. Il a été montré que ces oscillations sont liées à des fluctuations de pression de l'écoulement interne. Les fréquences des oscillations obtenues étant proches de celles des modes de cavité des moteurs, on a longtemps cru à l'émergence de fluctuations acoustiques pour expliquer les ODP. Cette thèse montre qu’en fait c’est l'amplification de modes propres de l'écoulement qui est à l’origine du phénomène. L'amplification résulte du couplage des modes propres avec les modes de cavités qui se produit lors du croisement de leurs fréquences respectives. Pour parvenir à cette conclusion, une étude de stabilité linéaire dite bigiobale a été menée afin d’identifier les modes propres de l’écoulement. Après une validation des résultats de stabilité à l’aide de simulations numériques directes (DNS), l'émergence de modes propres par couplage avec l’acoustique a été reproduite lors de calculs DNS. Une fois ces résultats acquis, on s'intéresse alors aux comparaisons entre théorie et expériences en se basant en particulier sur une analyse temps-fréquence des signaux de pression issus de tirs de moteurs à échelles réduites. Les pulsations résultant des calculs de stabilité sont rendues dimensionnelles en prenant en compte l’évolution des paramètres de l'écoulement, simulant ainsi la régression des blocs de propergol. On obtient finalement un réseau de modes propres dont les fréquences évoluent dans le temps et on trouve ainsi un très bon accord entre les valeurs théoriques et expérimentales. La cohérence de l'ensemble des résultats fournis par les expériences, les modélisations théoriques et les calculs numériques permet de construire in fine notre modèle d’apparition des ODP.
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Cerqueira, Stéphane. "Étude du couplage aéro-mécanique au sein des moteurs à propergol solide." Thesis, Paris, ENMP, 2012. http://www.theses.fr/2012ENMP0011/document.
Abstract:
Les Moteurs à Propergol Solide sont le siège d'instabilités de combustion qui se manifestent par des fluctuations de la pression interne et, en conséquence, de la poussée induite. Les phénomènes oscillatoires observés résultent d'un couplage entre l'acoustique de la chambre de combustion et une ou plusieurs instabilités hydrodynamiques de l'écoulement interne.Dans cette thèse, on s'intéresse à l'étude de l'écoulement induit par injection pariétale en géométrie axisymétrique. Plus particulièrement, on se concentre sur l'interaction qui peut avoir lieu entre cet écoulement et une structure : les Protections Thermiques de Face.Une étude expérimentale reposant sur le montage gaz froid VALDO de l'ONERA, modélisation représentative des MPS P230, a permis d'examiner l'influence d'obstacles, rigides et en élastomère, sur les instationnarités de l'écoulement. Le caractère instable de l'écoulement induit par injection pariétale est alors confirmé et le rôle primordial joué par les PTF sur les fréquences émergeant au sein de l'écoulement a été identifié.L'analyse de stabilité linéaire de l'écoulement, conduite en approche globale, permet l'étude de sa dynamique en tant qu'amplificateur de bruit. Les m¶mécanismes mis en jeu dans l'instabilité de l'écoulement induit par injection pariétale ainsi que son interaction complexe avec la couche de cisaillement issue de l'obstacle sont analysés. La réponse de l'écoulement à un forçage harmonique est alors examinée à la lumière des résultats expérimentaux.Cette étude a été complétée par une approche numérique de l'Interaction Fluide-Structure sur une configuration jugée critique. Une étape préliminaire à la simulation multi-physique est l'élaboration d'un modèle réaliste du comportement des PTF en élastomère. L'identification et la prise en considération des mécanismes propres aux élastomères dans la loi de comportement est ainsi détaillée. Les résultats issus des simulations sont confrontés aux résultats expérimentaux et rendent possible la validation d'un scénario de couplage dédié à l'Interaction Fluide-Structure au sein des MPSFluid Structure Interaction of an inhibitor with the internal flow induced by wall injection was studied in an axisymmetric cold flow apparatus. Experiments were carried out over a wide range of injection velocities in order to underline how the obstacle not only modifies the mean flowfield but also its entire dynamic behaviour.The resulting instability (from the interaction of the unstable shear layer with the Taylor-Culick flow) exhibits a significant shift with respect to the Taylor-Culick instability and therefore emphasizes the strong impact of the inhibitor on hydrodynamics.The mecanisms responsible of such behaviour are studied in this thesis with the help of global linear stability analysis and multi-physics numerical computations
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Joumani, Youssef. "Transferts radiatifs dans les moteurs à propergol solide." Valenciennes, 2001. https://ged.uphf.fr/nuxeo/site/esupversions/95e74661-8e9a-4d99-863a-817cdf44b81e.
Abstract:
Dans les moteurs à propergol solide, les rayonnements qui sont régis par l'équation du transfert radiatif (ETR) sont souvent considérés comme négligeables et les modélisations utilisées pour calculer ces transferts sont souvent primaires. L'objet de ce mémoire est de présenter des modèles réalistes pour simuler les transferts radiatifs en propulsion solide. La première démarche a consisté à élaborer une nouvelle méthode numérique pour discrétiser l'ETR. Cette méthode est une variante de la méthode des ordonnées discrètes. Elle a été élaborée de manière à être intégrable dans un code aérothermochimique utilisé pour simuler les écoulements complexes de propulsion solide. La seconde démarche a été de proposer une modélisation spectrale du comportement radiatif des gaz chauds et des particules d'alumine liquide qui composent ces écoulements. Pour modéliser le rayonnement des gaz, une variante du High Pressure Box Model a été proposée. Il a été démontré que ce modèle, valable a des pressions supérieures à 5 atm, peut l'être à pression atmosphérique sous certaines conditions. Pour traiter le rayonnement des particules, nous avons utilise la théorie de Mie et propose une nouvelle approche qui consiste à moyenner les propriétés radiatives (efficacités et fonctions de phase) sur un intervalle spectral étroit. Les différents modèles ont été intégrés dans un code de rayonnement puis appliqués au cas du moteur LP5. L'analyse des résultats numériques et expérimentaux a montre les imprécisions des simulations et a signale l'existence de problèmes expérimentaux.
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Feraille, Thierry. "Instabilités de l'écoulement interne des moteurs à propergol solide." École nationale supérieure de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse ; 1972-2007), 2004. http://www.theses.fr/2004ESAE0008.
Abstract:
Les longs moteurs à propergol solide peuvent présenter des oscillations de poussée dues à des fluctuations de la pression dans la chambre de combustion. Une source de ces fluctuations peut être l'instabilité de l'écoulement interne (écoulement de Taylor), dont l’étude au sens classique a déja été effectuée par J. Griffond (2001) sur l'écoulement monophasique. Elle est présentée au premier chapitre, ainsi que le problème des oscillations de poussée et une première analyse des mesures effectuées sur divers montages expérimentaux. Dans le but d’augmenter l'impulsion spécifique du moteur, le propergol contient des particules d’aluminium relachées dans l'écoulement. Afin de prendre en compte la présence de ces particules, un nouvel écoulement de base, alors diphasique, doit être recherché. C’est ce qui est fait au chapitre 2. L’étude de stabilité de cet écoulement y est aussi menée, et montre finalement une faible influence des particules sur la stabilité. Une modélisation de la combustion y est aussi donnée dans le but de fournir un modèle homogène pour une étude de stabilité, mais celle-ci n’est pas faite ici. L'approche classique de stabilité ne suffit pas à décrire toutes les observations expérimentales. Pour cela, une nouvelle approche de la stabilité est mise en œuvre dans le chapitre 3. Il s’agit d’une approche globale de la stabilité de l'écoulement qui prend en compte le caractère non-parallèle de l'écoulement de Taylor. Les résultats théoriques montrent un bon accord avec les mesures effectuées sur les maquettes et sur Ariane 5.
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Cabrit, Olivier. "Modélisation des flux pariétaux sur les tuyères des moteurs à propergol solide." Montpellier 2, 2009. http://www.theses.fr/2009MON20239.
Abstract:
Les tuyères des moteurs à propergol solide sont soumises à des flux pariétaux intenses. Les composites carbone/carbone sont alors retenus pour assurer l'intégrité des composants. Outre leurs excellentes propriétés thermo-mécaniques, ces matériaux sont exposés au phénomène d'ablation : réaction chimique hétérogène de surface entre le matériau et les espèces oxydantes de l'écoulement. D'une certaine façon, cette spécificité protège la structure car elle permet de réduire considérablement le flux de chaleur entrant dans le solide. En contrepartie, le phénomène doit être parfaitement contrôlé car il s'accompagne d'une récession de la surface. La prédiction des flux pariétaux de masse, de quantité de mouvement, et de chaleur, est donc un point crucial pour la conception des tuyères. La simulation numérique fait maintenant partie des outils de conception incontournables pour la mise au point de nouvelles tuyères. Néanmoins, au vu de la puissance des calculateurs disponibles, l'emploi de modèles de paroi est une étape nécessaire pour pouvoir simuler ces écoulements à l'échelle 1. Dans ce cadre, on présente une série de simulations numériques directes dont l'analyse permet d'élaborer des nouvelles lois de paroi intégrant plusieurs phénomènes physiques complexes qui modifient le comportement "classique" de la couche limite turbulente : dilatabilité de l'écoulement, influence de l'aspect multi-espèces réactif du fluide, nombre de Prandtl non unité, transfert radiatif, gradient de pression longitudinal, et ablation des parois. La mise en oeuvre de ces modèles est dès à présent envisageableThe nozzles of solid rocket motors must resist to severe wall fluxes. Carbon/carbon composite materials are then chosen to insure the structure integrity. In spite of their excellent thermo-mechanical properties, these materials are exposed to the ablation phenomenon: chemical oxidation of the solid material by the combustion products. On the one hand, this feature protects the nozzle structure since this process considerably reduces the wall heat flux. On the other hand, the ablation process must be perfectly controlled because of the geometrical changes induced by the surface recession. The assessment of mass/momentum/heat fluxes at the wall is thus a crucial part for the nozzle design. Numerical simulations are nowadays commonly used to define new nozzles. However, considering the power of the available computers, the use of wall models is a necessary step to simulate full scale devices. With this framework, one presents a set of direct numerical simulations whose analysis allows to derive new wall functions integrating several complex physical aspects that modify the "classical" behavior of the turbulent boundary layer: multicomponent reacting compressible flow, with non-unity Prandtl number, radiative transfer, streamwise pressure gradient, and wall ablation. These new models are now ready to be tested on realistic configurations
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Dupuy, Magali. "Etude par simulations numériques instationnaires de l'écoulement dans les moteurs à propergol solide." Phd thesis, Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00744017.
Abstract:
Cette étude est consacrée à l'analyse par simulations numériques instationnaires tridimensionnelles LES de la transition laminaire-turbulent dans un canal à injection pariétale représentatif de l'écoulement dans les chambres de moteurs à propergol solide. Pour déclencher le phénomène de transition vers la turbulence avec la méthode LES, il a été nécessaire d'introduire des fluctuations dans l'écoulement. Cette étude se focalise sur la recherche d'une méthodologie de calcul permettant de générer des perturbations dans l'écoulement. Une première méthode, basée sur le comportement du schéma numérique du code de calcul CEDRE de l'ONERA, a été utilisée pour générer des fluctuations dans l'écoulement. Une deuxième méthode prenant en compte les données expérimentales relevées sur le montage en gaz froid VECLA de l'ONERA a ensuite 't' développée. Cette dernière utilise une modélisation stochastique dans le cadre de l'equation de Langevin. Après implantation de cette méthode de calcul stochastique dans le code CEDRE, une étude spécifique a été menée pour analyser le comportement du modèle en relation avec la problématique de l'écoulement transitionnel dans le canal avec injection pariétale. Les simulations numériques instationnaires LES de l'écoulement en transition dans le montage VECLA ont ensuite été réalisées avec le code de calcul CEDRE. Les résultats ont été confrontés aux données expérimentales ainsi qu'a une simulation stationnaire RANS de l'écoulement. Les résultats mettent en évidence l'intérêt de la modélisation stochastique de Langevin sur la description du champ fluctuant dans le canal avec injection pari'etale.
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Bouyges, Maxime. "Instabilités dans les moteurs à propergol solide : influence de la géométrie étoilée et étude numérique de la transition laminaire-turbulent." Thesis, Toulouse, ISAE, 2017. http://www.theses.fr/2017ESAE0031/document.
Abstract:
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. Il est désormais connu qu'une instabilité hydrodynamique propre à l'écoulement et mise en évidence par une approche de stabilité linéaire, appelée Vortex Shedding Parietal, est le phénomène à l'origine de ces oscillations. Cependant plusieurs questions subsistent quant à l'apparition de ces oscillations. En particulier, on constate que ces oscillations ne sont observées que dans la seconde moitié du tir. On suppose que la transition laminaire-turbulent de l'écoulement joue un rôle dans ce phénomène. Par ailleurs, l'utilisation possible de la géométrie étoilée pour les blocs de propergol de géométrie étoilée oblige à reprendre l'étude de stabilité linéaire pour l'étude de ces oscillations. Cette thèse porte ainsi à la fois sur l'étude de la stabilité linéaire de l'écoulement induit par une géométrie étoilée et sur la transition laminaire-turbulent d'une configuration circulaire. Une solution analytique de l'écoulement au sein d'un conduit à paroi débitante de géométrie étoilée est d'abord obtenue. Le profil de vitesse associé peut présenter des points d'inflexion en fonction de la déformation radiale ou du nombre de Reynolds de l'écoulement. Ensuite les approches de stabilité linéaire locale et biglobale sont appliquées à cette solution. Par rapport au cas circulaire, cette étude de stabilité linéaire met en évidence la possible existence d'un ou plusieurs modes amplifiés. Enfin, une simulation numérique LES de la transition laminaire-turbulent de la configuration du montage VALDO est effectuéeSolid 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
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Basset, Thierry. "Contribution à la modélisation des écoulements diphasiques et réactifs internes : application aux propulseurs à propergol solide." Aix-Marseille 1, 1997. http://www.theses.fr/1997AIX11049.
Abstract:
Une etude menee dans le cadre du programme assm a ete realisee afin de caracteriser les ecoulements diphasiques dilues dans les moteurs-fusees a propergol solide. Une approche eulerienne et instationnaire des ecoulements a ete retenue. Le systeme d'equations obtenu est resolu a partir du schema numerique de mac-cormack du second ordre et en ecriture aux volumes finis. Dans un premier temps, on a verifie l'utilisation de ce schema centre au travers de la propagation d'une onde acoustique dans un ecoulement diphasique et pour des geometries mono et bidimensionnelle. On a pu observer le bon accord avec des resultats issus de theories lineaires tels que les bilans acoustiques. Une etude dans un propulseur repute instable a permis de mettre en evidence le couplage entre l'acoustique de la chambre et l'emission tourbillonnaire ainsi que le role relaxant de la phase dispersee sur ces tourbillons. Dans un deuxieme temps puisque les propergols solides sont enrichis en particules metalliques (aluminium), leur reactivite a ete etudiee a partir du modele de law. Deux modeles mono-espece puis multi-especes (oxydant, inerte, produits de combustion) ont ete mis en place afin de caracteriser les ecoulements reactifs dans un propulseur. Finalement, les premiers elements d'un modele realiste ont ete poses et sont applicables a de nombreuses configurations pratiques, en accord avec des resultats theoriques et experimentaux.
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Boyer, Germain. "Étude de stabilité et simulation numérique de l’écoulement interne des moteurs à propergol solide simplifiés." Thesis, Toulouse, ISAE, 2012. http://www.theses.fr/2012ESAE0029/document.
Abstract:
Cette thèse vise à modéliser les instabilités hydrodynamiques générant des détachements tourbillonnaires pariétaux (ou VSP) responsables des Oscillations De Pression dans les moteurs à propergol solide longs et segmentés par interaction avec l’acoustique du moteur. Ces instabilités sont modélisées en tant que modes de stabilité linéaire globaux de l’écoulement d’un conduit à parois débitantes. En supposant que les structures pariétales émergent d’une perturbation de l’écoulement de base, des modes discrets et indépendants du maillage utilisé sont calculés. Dans ce but, une discrétisation par collocation spectrale multi-domaine est implémentée dans un solveur parallèle afin de s’affranchir de la croissance polynomiale des fonctions propres et de la présence de couches limites. Les valeurs propres ainsi calculées dépendent explicitement des frontières du domaine, à savoir la position de la perturbation et celle de la sortie, et sont ensuite validées par simulation numérique directe. On montre alors qu’elles permettent bien de décrire la réponse à une perturbation initiale de l’écoulement modifié par une rupture de débit pariétale. Ensuite, la simulation d’une réponse forcée par l’acoustique se fait sous forme de structures tourbillonnaires dont les fréquences discrètes sont en accord avec celles des modes de stabilité. Ces structures sont réfléchies en ondes de pression de même fréquences remontant l’écoulement. Finalement, la simulation numérique et la théorie de la stabilité permettent de montrer que le VSP, dont la réponse est linéaire vis-à-vis d’un forçage compressible comme l’acoustique, est le phénomène moteur des Oscillations De PressionThe current work deals with the modeling of the hydrodynamic instabilities that play a major role in the triggering of the Pressure Oscillations occurring in large segmented solid rocket motors. These instabilities are responsible for the emergence of Parietal Vortex Shedding (PVS) and they interact with the boosters acoustics. They are first modeled as eigenmodes of the internal steady flowfield of a cylindrical duct with sidewall injection within the global linear stability theory framework. Assuming that the related parietal structures emerge from a baseflow disturbance, discrete meshindependant eigenmodes are computed. In this purpose, a multi-domain spectral collocation technique is implemented in a parallel solver to tackle numerical issues such as the eigenfunctions polynomial axial amplification and the existence of boundary layers. The resulting eigenvalues explicitly depend on the location of the boundaries, namely those of the baseflow disturbance and the duct exit, and are then validated by performing Direct Numerical Simulations. First, they successfully describe flow response to an initial disturbance with sidewall velocity injection break. Then, the simulated forced response to acoustics consists in vortical structures wihich discrete frequencies that are in good agreement with those of the eigenmodes. These structures are reflected into upstream pressure waves with identical frequencies. Finally, the PVS, which response to a compressible forcing such as the acoustic one is linear, is understood as the driving phenomenon of the Pressure Oscillations thanks to both numerical simulation and stability theory
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Hirschberg, Lionel. "Modélisation des oscillations de pression auto-entretenues induites par des tourbillons dans les moteurs à propergol solide." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLC001/document.
Abstract:
Les moteurs de fusées à ergols solides (SRMs) sont sensibles aux instabilités hydrodynamiques qui peuvent déclencher des oscillations auto-entretenues de pression de grandes amplitudes lorsqu’elles se couplent à l’un des modes acoustiques du système. Le moteur de ces instabilités est la formation de structures tourbillonnaires cohérentes synchronisées par des ondes acoustiques longitudinales. Pour certaines conditions de fonctionnement, les ondes acoustiques générées par l’interaction de ces tourbillons avec la tuyère amorcée du moteur renforcent l’oscillation acoustique. L’objectif des travaux menés dans cette thèse est de déterminer l’amplitude et la fréquence des oscillations de pression au cycle limite des instabilités. Celui-ci est atteint par saturation non linéaire des sources, qui est la conséquence de la formation de grosses structures cohérentes. Dans ce cas l’interaction tourbillon tuyère devient insensible à l’amplitude de l’onde du mode acoustique établi dans le foyer. Dans ces conditions, on peut se concentrer sur l’interaction d’un tourbillon avec la tuyère dans le mécanisme de production sonore. En considérant un écoulement incompressible et l’absence de frottement, un premier modèle analytique est développé permettant de déterminer la production sonore d’un tourbillon ingéré par une tuyère bidimensionnelle plane, lorsque le tourbillon est traité comme une ligne vorticité. Des expériences précédentes indiquent que le volume de la cavité autour de l’entrée d’une tuyère intégrée a une grande influence sur l’amplitude des oscillations de pression dans les grands SRMs. On montre que ceci est dû au champ de vitesse acoustique induit par la compressibilité du gaz dans la cavité qui produit une fluctuation de vitesse transverse à la trajectoire du tourbillon. Une seconde alternative au modèle analytique incompressible est développée en considérant toujours l’absence de frottement, mais un modèle compressible de l’interaction tourbillon-tuyère. Celui-ci repose sur un code aéroacoustique pour les écoulements internes basé sur les équations d’Euler (EIA) qui est utilisé ici pour la simulation de l’interaction tourbillon-tuyère. Une étude systématique de cette interaction a été menée pour une tuyère amorcée. Les résultats ont permis de proposer un modèle de sources localisées pour des ondes planes basé sur une analyse théorique des lois d’échelles de ces phénomènes. Les simulations de ces interactions tourbillons-tuyères ont été réalisées pour différents types de tuyères. En employant un bilan énergétique, un modèle avec un seul paramètre de contrôle est formulé, qui permet de reproduire qualitativement le comportement du cycle limite d’oscillations de pression observées dans des expériences réalisées avec des gaz froids décrites dans la littérature. Finalement le modèle Euler est utilisé pour comparer la production de son par interaction tourbillon-tuyère avec celle due à l’ingestion d’une onde d’entropie, appelée aussi tache d’entropie. Contrairement au cas des tourbillons, le bruit produit par ingestion de taches d’entropie n’est pas sensible au volume de la cavité d’une tuyère intégrée. Ces résultats indiquent que le bruit produit par les tourbillons est dominant dans le cas des SRMs étudiés. L’ensemble de ces travaux permet d’améliorer la compréhension des phénomènes d’interaction entre des non-homogénéités de l’écoulement et la tuyère. Elle permet surtout de déterminer quels sont les facteurs de l’écoulement et les éléments géométriques importants qui pilotent le niveau sonore produit par ces interactions. Les modèles développés dans ces travaux, avec divers degrés d’approximation et de complexité permettent d’enrichir la gamme des outils de conception des SRMsSolid Rocket Motors (SRMs) can display self-sustained acoustic oscillations driven by coupling between hydrodynamic instabilities of the internal flow and longitudinal acoustic standing waves. The hydrodynamic instabilities are triggered by the acoustic standing wave and results in the formation of coherent vortical structures. For nominal ranges of flow conditions the sound waves generated by the interaction between these vortices and the choked nozzle at the end of the combustion chamber reinforces the acoustic oscillation. Most available literature on this subject focuses on the threshold of instability using a linear model. The focus of this work is on the prediction of the limit-cycle amplitude. The limit-cycle is reached due to nonlinear saturation of the source, as a consequence of the formation of large coherent vortical structures. In this case the vortex-nozzle interaction becomes insensitive to the amplitude of the acoustic standing wave. Hence, one can focus on the sound generation of a vortex with the nozzle. Sound production can be predicted from an analytical two-dimensional planar incompressible frictionless model using the so-called Vortex Sound Theory. In this model the vorticity is assumed to be concentrated in a line vortex. Experiments indicate that the volume of cavities around so-called “integrated nozzles” have a large influence on the pulsation amplitude for large SRMs. This is due to the acoustical field normal to the vortex trajectory, induced by the compressibility of the gas in this cavity. As an alternative to the incompressible analytical model a compressible frictionless model with an internal Euler Aeroacoustic (EIA) flow solver is used for simulations of vortex-nozzle interaction. A dedicated numerical simulation study focusing on elementary processes such as vortex-nozzle and entropy spot-nozzle interaction allows a systematic variation of relevant parameters and yields insight which would be difficult by means of limit cycle studies of the full engine. A systematic study of the vortex-nozzle interaction in the case of a choked nozzle has been undertaken. The results are summarized by using a lumped element model for plane wave propagation, which is based on theoretical scaling laws. From EIA simulations it appears that sound due to vortex-nozzle interaction is mainly generated during the approach phase and that for the relevant parameter range there is no impingement of the vortex on the nozzle wall as has been suggested in the literature. Using an energy balance approach, a single fit-parameter model is formulated which qualitatively predicts limit-cycle observations in cold gas-scale experiments reported in the literature. Finally the Euler model is used to compare the sound production by vortex-nozzle interaction with that due to the ingestion of an entropy non-uniformity also called entropy spot. In addition to insight, this study provides a systematic procedure to develop a lumped element model for the sound source due to non-homogeneous flow-nozzle interactions in SRMs. Such lumped models based on experimental data or a limited number of flow simulations can be used to ease the design of SRMs
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Touré, Abdou. "Étude théorique et expérimentale d'un moteur Ericsson à cycle de Joule pour conversion thermodynamique de l'énergie solaire ou pour micro-cogénération." Phd thesis, Université de Pau et des Pays de l'Adour, 2010. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00546852.
Abstract:
Un moteur Ericsson est un moteur alternatif à apport de chaleur externe, à enceinte de compression et de détente distinctes, à récupérateur et à fluide de travail monophasique gazeux. Il fonctionne selon le cycle thermodynamique de Joule. Dans notre travail, nous avons tout d'abord développé un modèle théorique original de moteur volumétrique à cycle de Joule (moteur Ericsson). Les résultats théoriques obtenus sont présentés et commentés. Ensuite, nous avons caractérisé le prototype de machine de détente de moteur Ericsson qui a été réalisé au sein du LaTEP, soit la partie la plus délicate du moteur. Les résultats des essais en ‘mode moteur' et en ‘mode moteur entraîné' sont présentés, avec leurs commentaires et analyses. Les performances du prototype sont très encourageantes et sont conformes à celles de travaux théoriques antérieurs. Il a donc été décidé de concevoir et réaliser la partie compresseur du moteur qui a ainsi été ajoutée au prototype, de sorte que nous disposons à présent d'un prototype de moteur Ericsson complet.
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Binauld, Quentin. "Modélisation et simulation du rayonnement dans les jets de moteurs à propergol solide à haute altitude." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018SACLC090/document.
Abstract:
Le rayonnement dans les jets issus de moteurs à propergol solide constitue un phénomène essentiel à l’estimation des flux aux parois et à la prédiction de la signature radiative des engins. A haute altitude, de l’ordre de 100 km, ces jets sont caractérisés par des écoulements compressibles diphasiques, à fort aspect raréfié dans certaines régions, compos ´es de particules d’alumine et de gaz de combustion. Le transfert radiatif y joue un rôle important dans la mesure où il influence fortement le refroidissement et le changement de phase des particules. Afin de simuler numériquement les jets et leur rayonnement, différents modèles ont été développés. Le rayonnement des gaz a été pris en compte à l’aide de modèles statistiques à bandes étroites. Le phénomène de surfusion qui régit le changement de phase de l’alumine et les champs de température associés aux différentes tailles de particules, a été pris en compte. Enfin, une méthode de splitting des puissances radiatives a été mise en œuvre afin de permettre le couplage entre le rayonnement et l’écoulement dans des milieux en des ‘équilibre thermique gaz/particules. Ces modèles ont été implémentes dans une plateforme de calcul, permettant de coupler un solveur fluide utilisant une approche Navier-Stokes, un solveur eulérien pour traiter la phase dispersée et un solveur radiatif qui utilise une méthode de Monte Carlo. L’outil numérique développe a été partiellement validé en comparant nos résultats aux mesures obtenues dans le cadre de l’expérience BSUV2. Dans les conditions de cette expérience, le rayonnement des particules est prédominant mais la contribution des gaz s’avère non négligeable. Des simulations sous différentes hypothèses ont permis de mettre en évidence le rôle primordial du transfert radiatif, couplé au phénomène de surfusion, dans l’établissement des champs de température des particules. La dernière partie de ces travaux s’est attachée à l’étude du déséquilibre vibrationnel de la phase gazeuse et de son impact sur le rayonnement dans les jets. Il est montré que le gel partiel des niveaux de vibration de la molécule CO2 durant la détente du jet peut augmenter de façon significative son rayonnementRadiation from solid propellant rocketplumes is important for the prediction of thermalfluxes on vehicle walls and of plume signature. Athigh altitudes, of approximately 100 km, those plumesare characterized by two-phase compressible flows,highly rarefied in some regions, composed of aluminaparticles and exhaust combustion gases. Radiativetransfer plays an important role in the cooling and thephase change of the particles.In order to carry out numerical simulations of rocketplumes and their radiation, several models have beendeveloped. The radiation of the gas phase is takeninto account using statistical narrow bands models.The supercooling phenomenon has been modeled todeal with the phase change of alumina and to obtaincorrect temperature fields for the different size classesof particles. Finally, a splitting method of the radiativepower has been established to enable the couplingbetween radiation and the flow field under gas/particlethermal non-equelibrium. These models have beenimplemented in a calculation platform, enabling tocouple a Navier-Stokes solver for the gas phase, anEulerian solver dealing with the dispersed phase anda radiative solver based on a Monte Carlo method.The developed numerical tool has been partly validatedcomparing our results with the measurementsobtained during the BSUV2 experiment. In the conditionsof this experiment, particle radiation is shownto be predominant but the contribution of the gasphase is found to be non-negligible. Simulations underdifferent hypotheses have put the emphasis onthe importance of radiative transfer, coupled with thesupercooling phenomenon, for an accurate evaluationof particle temperature fields.The last part of this work focuses on the study ofgas vibrational non-equilibrium and its impact on radiationfrom high altitude plumes. It is shown thatthe slow deexcitation of vibrational levels of the CO2molecule during the plume expansion may increasesignificantly its radiation
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Braconnier, Alexandre. "Étude expérimentale de la combustion d’une particule d’aluminium isolée : influence de la pression et de la composition de l’atmosphère oxydante." Thesis, Orléans, 2020. http://www.theses.fr/2020ORLE3140.
Abstract:
Les poudres d'aluminium possèdent des propriétés énergétiques intéressantes et sont couramment intégrées à la composition de certains propergols solides pour améliorer les performances des systèmes de propulsion. Néanmoins, la présence d’une phase dispersée au sein de l'écoulement propulsif peut altérer la stabilité des moteurs à propergol solide (MPS) et l'utilisation du potentiel énergétique des particules d'aluminium nécessite d'être optimisée pour accroître davantage le rendement moteur. Des enjeux majeurs sont alors associés à la modélisation du processus réactionnel des gouttes afin d’améliorer les outils numériques prédictifs utilisés pour concevoir les MPS. Cependant, la compréhension du phénomène de combustion des particules d'aluminium reste encore limitée et les données expérimentales disponibles s'avèrent être lacunaires, en particulier pour le cadre d'application des MPS. En ce sens, basée sur un dispositif permettant d'isoler une particule métallique en lévitation dans un milieu contrôlé, l'étude proposée a permis d’obtenir des résultats inédits dans cette thématique. Des axes de réflexion essentiels sur la phénoménologie de réaction ont été introduits, principalement sur les effets résultant de l’accumulation de produits condensés en surface de la goutte durant la combustion. Différentes hypothèses ont ainsi été discutées quant aux mécanismes impliqués dans ce processus. Une quantité significative de données a également été rapportée sur les paramètres de combustion caractéristiques, permettant de préciser la contribution respective des paramètres définissant le milieu réactif. Les efficacités oxydantes du O₂, du CO₂ et du CO ont été quantifiées, le monoxyde de carbone agissant alors sensiblement comme un inerte, au même titre que le N₂. L'effet de la pression sur le temps de réaction a aussi été déterminé et s’avère être relativement limité. Enfin, une nouvelle loi empirique a été formulée afin d’estimer le temps de combustion des gouttes d’aluminium d’après leur taille et les conditions ambiantes, suggérant en outre que le processus réactionnel global de l'aluminium ne peut être convenablement décrit par la loi théorique du D²Aluminum powders have interesting energy properties and are currently integrated in some solid propellants to improve the performances of propulsion systems. However, the effects induced by the presence of dispersed particles within the propellant flow can alter the stability of the solid rocket motors (SRM) and the use of the energy potential of the aluminum particles can be optimized to further enhance engine efficiency. Therefore, modeling of the aluminum reaction process is a major issue to improve the predictive numerical tools used for SRM development. However, the understanding of the aluminum combustion is still limited and available experimental data are scarce, especially for SRM applications. Thus, based on a specific setup allowing to levitate a single aluminum particle in a controlled environment, this study has led to interesting results. Essential lines of research were introduced on the reaction phenomenology, mainly on the effects resulting from the accumulation of condensed products on the droplet surface during combustion. Different assumptions have also been discussed concerning the mechanisms involved in this process. In addition, a large amount of data was reported on characteristic combustion parameters, allowing the contribution of the parameters of the reactive environment to be defined. The oxidizing efficiency of O₂, CO₂ and CO has been quantified and carbon monoxide seems to act as an inert gas, as well as N₂. The effect of pressure on the burning time has also been determined and is almost limited. Finally, a new empirical law has been established to estimate the burning time of aluminum droplets according to their initial diameter and ambient conditions, suggesting that the aluminum reaction process cannot be described by the theoretical D² law
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Acik, Sevda. "Internal Ballistic Design Optimization Of A Solid Rocket Motor." Master's thesis, METU, 2010. http://etd.lib.metu.edu.tr/upload/12611981/index.pdf.
Abstract:
Design process of a solid rocket motor with the objective of meeting certain mission requirements can be specified as a search for a best set of design parameters within the overall design constraints. In order to ensure that the best possible design amongst all achievable designs is being achieved, optimization is required during the design process.
In this thesis, an optimization tool for internal ballistic design of solid rocket motors was developed. A direct search method Complex algorithm is used in this study. The optimization algorithm changes the grain geometric parameters and nozzle throat diameter within the specified bounds, finally achieving the optimum results.
Optimization tool developed in this study involves geometric modeling of the propellant grain, burnback analysis, a 0-dimensional ballistic performance prediction analysis of rocket motor and the mathematical optimization algorithm. The code developed is verified against pretested rocket motor performance.
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Racine, John A. "Subscale solid rocket motor infrared signature and particle behavior." Thesis, Monterey, California. Naval Postgraduate School, 1991. http://hdl.handle.net/10945/26801.
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Gomes, Marc Faria. "Internal ballistics simulation of a solid propellant rocket motor." Master's thesis, Universidade da Beira Interior, 2013. http://hdl.handle.net/10400.6/1980.
Abstract:
In the design and development of solid propellant rocket motors, the use of
numerical tools able to simulate, predict and reconstruct the behaviour of a given
motor in all its operative conditions is particularly important in order to decrease
all the planning and costs.
This study is devoted to present an approach to the numerical simulation of a
given SPRM internal ballistics, NAWC no. 13, during the quasi steady state by
means of a commercial numerical tool, ANSYS FLUENT.
The internal ballistics model constructed in this study is a 2-D axisymmetric
model, based on several assumptions. Among them is the assumption that there
is no contribution of the erosive burning and the dynamic burning in the burning
rate model.
The results of the internal ballistics simulation are compared with the results
found in the bibliographical research, thus validating the model that has been set
up. The validation of the results also allows us to conclude that the assumptions
made in the construction of the model are reasonable.
Suggestions and recommendations for further study are outlined.Na concepção e desenvolvimento de motores foguete sólidos, o uso de ferramentas numéricas capazes de simular, prever e reconstruir o comportamento de um dado do motor em todas as condições operativas ´e particularmente importante, a fim de diminuir todos os custos e planeamento. Este estudo ´e dedicado a apresentar uma abordagem para a simulação numérica de balística interna de um determinado motor foguete de propelente sólido, Naval Air Warfare Center no. 13, durante a fase quasi steady state por meio de uma ferramenta numérica comercial, ANSYS FLUENT. O modelo de balística interna construído neste estudo é um modelo axissimétrico 2-D. Tem por base vários pressupostos. Entre eles, está o pressuposto de que não há contribuição da queima erosiva e da queima dinâmica no modelo da taxa de queima. Os resultados da simulação balística interna são comparados com os resultados encontrados na pesquisa bibliográfica, validando assim, o modelo que foi construído. A validação dos resultados também nos permite concluir que os pressupostos assumidos na construção do modelo são razoáveis. Sugestões e recomendações para um estudo mais aprofundado são delineadas.
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Achim, Pascal. "Simulation de collisions, coalescence et rupture de gouttes par une approche lagrangienne : application aux moteurs à propergol solide." Rouen, 1999. http://www.theses.fr/1999ROUES039.
Abstract:
La dispersion de gouttelettes d'alumine liquide dans les propulseurs à propergol solide du lanceur Ariane 5 est simulée par une approche lagrangienne stochastique à une particule. L'évaluation des temps de collision, plus petits que le temps de séjour moyen des gouttes dans la chambre de combustion, a conduit à l'implantation d'un module de collisions binaires dans le code PALAS. Une étude des taux de collision en écoulement turbulent et de l'efficacité de collision a permis la construction d'une procédure dans laquelle les chocs sont simulés par une succession de processus aléatoires. Les calculs ont montré que les collisions seules affectaient peu la répartition des gouttelettes dans le propulseur ainsi que la quantité de matière piégée dans la cavité formée par la tuyère intégrée. L'hypothèse d'indépendance statistique des particules au cours des chocs est discutée. Une procédure de détermination de la vitesse de la particule rencontrée prenant en compte une fonction de corrélation de vitesses a été élaborée. Les calculs effectués sur un cas test de turbulence isotrope ont permis de mettre en évidence que l'influence des corrélations de vitesses était significative si le temps de relaxation des particules était inferieur à l'échelle intégrale temporelle de la turbulence, ce qui n'est pas le cas dans les propulseurs. Les collisions entre les gouttelettes sont accompagnées de phénomènes de coalescence et de rupture secondaire. Une étude bibliographique a permis d'isoler les mécanismes susceptibles de se produire dans les propulseurs. La coalescence conduit à une augmentation de la quantité de matière piégée dans la cavité arrière. La prise en compte de la rupture et de l'efficacité de collision permet de réduire l'influence de la coalescence. Le taux de dépôt obtenu avec le calcul complet est supérieur à celui obtenu sans prise en compte des interactions.
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Qian, Xin. "Flow field investigation in pulse 1 motor of a two-pulse solid rocket motor." Thesis, This resource online, 1990. http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd-03122009-040826/.
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Dupays, Joël. "Contribution à l'étude du rôle de la phase condensée dans la stabilité d'un propulseur à propergol solide pour lanceur spatial." Toulouse, INPT, 1996. http://www.theses.fr/1996INPT063H.
Abstract:
La phase condensee presente dans les produits de combustion a une influence sur la stabilite de fonctionnement d'un moteur a propergol solide. Comme dans un propulseur segmente, les instabilites resultent davantage d'un couplage des champs aerodynamique et acoustique que de la combustion proprement dite, seule une simulation numerique de l'ecoulement a l'interieur de la chambre semble permettre de decrire le comportement du moteur. L'approche retenue est basee sur une description eulerienne de chacune des phases avec traitement des interactions mutuelles. Celles-ci comprennent les forces de trainee, de portance et de volume ainsi que le transfert de chaleur par convection. L'architecture du code repose sur un concept modulaire. Le solveur de la phase dispersee ainsi que le module de couplage ont ete construits autour d'un code monophasique de l'onera. Afin de valider l'ensemble, deux campagnes d'essais ont ete realisees au moyen d'un petit propulseur concu specialement pour generer des instabilites par detachements tourbillonnaires et fonctionnant avec divers propergols charges ou non de particules calibrees. Les comparaisons simulations-experiences ont souligne la pertinence de l'approche numerique retenue. La frequence du detachement tourbillonnaire est bien retrouvee. Les niveaux des oscillations restent en revanche dependants de parametres numeriques tels que le maillage ou le schema de viscosite artificielle
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Issa, May. "Etude théorique et expérimentale de l'oxydation catalytique du noir de carbone : Influence du contact entre solides." Mulhouse, 2008. https://www.learning-center.uha.fr/opac/resource/etude-theorique-et-experimentale-de-loxydation-catalytique-du-noir-de-carbone-influence-du-contact-e/BUS4168757.
Abstract:
Compte tenu de la dangerosité des particules de suies Diesel pour la santé humaine et pour l'environnement, des réglementations strictes fixant leurs émissions ont été adoptées. Le FAP (filtre à particules), permettant de piéger les suies, doit être périodiquement régénéré par combustion des suies. La régénération passive consiste à utiliser des catalyseurs. Ils permettent d'abaisser la température d'oxydation des suies et de les éliminer ainsi de manière continue. Dans ce contexte, ces travaux sont dédiés à l'étude du contact entre un noir de carbone (NC) (modèle de suies) et un catalyseur (cérine) et son effet sur la réaction d'oxydation du NC en présence d'oxygène. Une corrélation entre la morphologie des mélanges préparés NC/cérine et la réactivité du NC a été établie. Des modèles mathématiques (ID et 3D) sont proposés. Ils permettent de simuler l'oxydation du NC, en tenant compte de différents paramètres cinétiques et de représenter le contact en s'appuyant sur les résultats expérimentaux. En particulier, le modèle 3D permet de représenter les mélanges étudiés en considérant des agrégats de catalyseur de différentes tailles granulométriques. Cette représentation du milieu permet d'estimer l'effet du contact entre le NC et le catalyseur sur la réaction d'oxydation du NC en déterminant l'environnement catalytique du NC. Un accord satisfaisant entre les valeurs de vitesse d'oxydation expérimentales et théoriques calculées a été obtenu. De plus, un modèle 3D basé sur une représentation géométrique du FAP a été développé afin de mieux appréhender les phénomènes mis en jeu pendant sa régénération. Ce modèle décrit l'oxydation des suies dans le FAP en vue de l'optimisation de son fonctionnementStringent standards have been imposed to reduce the emisions of soot particulates known by their danger for human health and environnment. DPF (Diesel particulate filter), enables to collect soot particulates in the exhaust gas, should be regernerated periodically by soot combustion. This regeneration could be active or passive. Passive regeneration uses catalysts in the filter to promote soot oxidation at lower temperatures (400-500°C). Therefore, this investigation was dedicated to the effect of contact between carbon black (model of diesel soot) and catalyst (cerium oxide) and its influence on carbon black oxidation in the presence of oxygen. A correlation between the morphology of mixtures of carbon black and cerium oxide and the reactivity of carbon black was established. Mathematical models (1D and 3D) were developped. These models predict soot oxidation taking into account different parameters based on experimental results. In partiuclar, the three dimensionnai model represents the studied mixtures considering that catalyst is composed of agregates with different sizes. These agregates, distributed randomly in the system, are composed of isometric elementary volumes of 200 nm of length. This representation enables to estimate the effect of the contact between carbon black and catalyst on carbon black oxidation. The model determines the catalytic neighberhood of each elementary volume of carbon black. A good agreement was obtained between experimental results and calculated ones by the model. Indeed, a three dimensionnai model based on geometrical representation of DPF was developped to get a better insight on the phenomena occuring during the regeneration process
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Touré, Abdou. "Etude théorique et expérimentale d'un moteur Ericsson à cycle de Joule pour conversion thermodynamique de l’énergie solaire ou pour micro-cogénération." Pau, 2010. http://www.theses.fr/2010PAUU3012.
Abstract:
Un moteur Ericsson est un moteur alternatif à apport de chaleur externe, à enceinte de compression et de détente distinctes, à récupérateur et à fluide de travail monophasique gazeux. Il fonctionne selon le cycle thermodynamique de Joule. Dans notre travail, nous avons tout d’abord développé un modèle théorique original de moteur volumétrique à cycle de Joule (moteur Ericsson). Les résultats théoriques obtenus sont présentés et commentés. Ensuite, nous avons caractérisé le prototype de machine de détente de moteur Ericsson qui a été réalisé au sein du LaTEP, soit la partie la plus délicate du moteur. Les résultats des essais en ‘mode moteur’ et en ‘mode moteur entraîné’ sont présentés, avec leurs commentaires et analyses. Les performances du prototype sont très encourageantes et sont conformes à celles de travaux théoriques antérieurs. Il a donc été décidé de concevoir et réaliser la partie compresseur du moteur qui a ainsi été ajoutée au prototype, de sorte que nous disposons à présent d’un prototype de moteur Ericsson completAn Ericsson engine is an external heat supply engine working according to a Joule thermodynamic cycle. Such engines have separated compression and expansion cylinders, a recuperator, and a monophasic gaseous working fluid. First of all, in this thesis we have developed an original theoretical model of a volumetric hot air Joule cycle engine. The theoretical results are presented and analyzed. Then, we have tested a prototype of the 'hot' part of an open cycle Ericsson engine developed by our laboratory. Experimental results for the ‘engine mode’ and the ‘driven engine mode’ are presented and analyzed. The performances of the prototype are in agreement with previous modeling results and assumptions. Therefore it has been decided to build and add the compression part to the prototype so that to allow the test of a complete Ericsson engine
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Griffond, Jérôme. "Instabilité pariétale et accrochage aéroacoustique dans les conduits à parois débitantes simulant les moteurs à propergol solide d'Ariane 5." Toulouse, ENSAE, 2001. http://www.theses.fr/2001ESAE0006.
Abstract:
L'objectif de cette thèse est de permettre une meilleure compréhension du mécanisme physique supposé être à la source d'un couplage aéroacoustique survenant dans les moteurs à propergol solide tels que ceux du lanceur Ariane 5. Le phénomène est une instabilité, dite "pariétale", particulière aux écoulements en conduite induits par injection pariétale. Des analyses linéaires sont d'abord menées sur une solution analytique auto-semblable des équations d'Euler qui indiquent la présence d'ondes instables convectives spatialement amplifiées vers l'aval selon un mécanisme non visqueux lié à la courbure des lignes de courant. Les résultats sont favorablement comparés à ceux obtenus expérimentalement. Des écoulements plus proches de ceux des moteurs à propergol solide sont ensuite étudiés avec la prise en compte de géométries plus complexes et d'effets de compressibilité. Puis, des développements non linéaires sont proposés par application de la théorie de la stabilité secondaire et par recherche d'états quasi-saturés selon une forme spécifique de ces écoulements linéairement accélérés, retrouvée par simulation numérique directe. Enfin, la place de l'instabilité pariétale dans la boucle d'interactions conduisant au couplage aéroacoustique est discutée, ainsi que les pistes possibles de prédiction de ce dernier.
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Mahé, Laurent. "Usure du polytetrafluoroethylène (PTFE) charge : approche par les débits de troisième corps solide : Application aux segments de piston de compresseur." Lyon, INSA, 2000. http://www.theses.fr/2000ISAL0040.
Abstract:
Les lois d'usure ne permettent pas de prédire la durée de vie des contacts sans troisième corps fluide entre les segments de piston et le cylindre d'un compresseur d'air car elles ne prennent par en compte l'ensemble des paramètres qui contrôlent les débits de troisième corps solide, donc l'usure. Aussi le but de ce travail est d'élaborer le scénario de la vie du contact en terme de débits de troisième corps et d'évaluer la contribution à l'activation de ces débits de chacun des éléments du triplet tribologique que sont le mécanisme (compresseur), les premiers corps en contact (segments/cylindre) et le troisième corps. Pour cela la démarche suivie a comporté les •étapes suivantes : état de l'art des connaissances sur la segmentation du point de vue des compressoristes, utilisation des "outils tribologiques conceptuels" à l'étude du contact, étude individuel des éléments du triplet, reconstitution du circuit tribologique et du scénario de la vie du contact dans le compresseur en prenant en compte les interactions des éléments du triplet. Cette reconstitution se fonde sur l'instrumentation dynamique du compresseur, des essais sur simulateurs dont des essais de visualisation in-vivo des débits, et des modélisations mécaniques et thermiques. Elle a permis d'établir une équation phénoménologique des débits de troisième corps dans les contacts segments/cylindre et d'identifier les paramètres mécaniques, matériaux et physicochimique qui les contrôlentNowadays, the existing wear laws can not predict the contact lifetime when the third body is not a fluid. That the case of contacts between piston rings and cylinder in some air compressors. The main cause comes from the non consideration of the set of parameters which control the flows, therefore wear. The objective of this work is to build the scenario of contact life in term of third body flows and to estimate the contribution of each tribological triplet element on the flows activation. In our case, the tribological triplet is the following: the mechanism (compressor), the first body in contact (rings/cylinder) and the third body. Our approach is composed of the following steps: the state of the art of knowledge on the piston rings from the compressorists point of view, the using of the " conceptual tribological tools " to the studied contacts, the individual study of the triplet elements, the reconstitution of the tribological circuit and the scenario of the contact life in the compressor and then the taking into account the interactions of the triplet elements. This reconstitution is based on dynamic instrumentation of compressor, tests on simulators with in-vivo visualization flows tests, and thermal and mechanical modelings. It leads to the establishment of a phenomenological equation of the third body flows in the contacts rings/cylinder, and the identification of mechanical, materials and physico-chemical parameters which control the t1ows
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Goncalves, de Miranda Fabienne. "Étude numérique de l'écoulement instationnaire diphasique dans les propulseurs à propergol solide d'Ariane 5." Toulouse, ENSAE, 2000. http://www.theses.fr/2000ESAE0021.
Abstract:
Cette étude s'inscrit dans le cadre de recherches, menées dans différents laboratoires, sur l'optimisation des moteurs à propergol solide d'Ariane 5 (MPS P230). Dans une certaine plage de fonctionnement du moteur, l'écoulement diphasique généré par la combustion du propergol enrichi en aluminium se couple à l'acoustique de la veine et crée ainsi des instabilités pouvant être dramatiques. D'autre part, certaines gouttelettes forment, dans le fond arrière du propulseur, une flaque dont le ballottement induit des déséquilibres et des oscillations de poussée. L'objectif de la thèse est de comprendre l'influence de la phase dispersée sur le couplage aéroacoustique au sein du P230 grâce à une étude numérique approfondie. La géométrie support est une maquette du moteur, VIOLETTE, fonctionnant en gaz froid. Le manuscrit comprend trois parties : les phénomènes physiques mis en jeu et les méthodes numériques utilisées, la modélisation de l'écoulement diphasique en gaz froid, l'influence de l'évaporation des gouttes d'aluminium. L'écoulement gazeux instationnaire est calculé en résolvant les équations laminaires de Navier-Stokes grâce au code MSD, couplé au module LSD pour la simulation déterministe lagrangienne de la phase liquide, en two-way coupling. En gaz froid, la présence de gouttelettes cause une diminution des fréquences et amplitudes d'oscillation, et de la pression moyenne. Ces phénomènes sont fortement dépendants des conditions d'injection des gouttes. En gaz chaud, l'évaporation des gouttes accroît les échanges entre phases. La pression moyenne et l'amplitude des fluctuations augmentent considérablement par rapport au cas monophasique. Enfin, l'excitation de modes acoustiques transverses a été mise en évidence par la prise en compte de l'évaporation des gouttelettes.
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Simoes, Marine. "Modélisation eulérienne de la phase dispersée dans les moteurs à propergol solide, avec prise en compte de la pression particulaire." Phd thesis, Toulouse, INPT, 2006. http://oatao.univ-toulouse.fr/7473/1/simoes.pdf.
Abstract:
Une modélisation précise des écoulements gaz-particules réactifs instationnaires rencontrés dans les moteurs à propergol solide d'Ariane 5 est indispensable pour expliquer et prédire le comportement du moteur lors de son fonctionnement. En particulier, la présence d'une phase dispersée, même inerte, influe fortement sur les amplitudes des potentielles oscillations de pression créées par le moteur.Dans ce but, une approche originale de modélisation, qui prend en compte de façon simple la variance de vitesse de la phase dispersée, est proposée. Deux modèles diphasiques eulériens avec pression particulaire, à niveau de sophistication variable, ont ainsi été écrits. Le premier est un modèle à trois équations qui fait apparaître une pression particulaire fonction de la fraction volumique solide et d’un paramètre constant. Ce terme permet d’obtenir une concentration en particules plus homogène et peut donc fortement modifier la dispersion des particules dans l’écoulement. Le second modèle, qui présente une équation supplémentaire, est basé sur la modélisation du tenseur des contraintes cinétiques de la phase dispersée par une hypothèse de type Boussinesq. La pression particulaire dépend dans ce cas de la fraction volumique solide et de l’énergie cinétique fluctuante de la phase dispersée.Ces deux modèles ont été implantés dans un code de mécanique des fluides et diverses simulations numériques ont été réalisées. Elles montrent une amélioration évidente des résultats obtenus par rapport aux modèles eulériens sans pression particulaire. Notamment, les accumulations non physiques de particules, qui traduisent un défaut caractéristique de ces modèles basiques, sont éliminées.
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Simoes, Marine Simonin Olivier. "Modélisation eulérienne de la phase dispersée dans les moteurs à propergol solide, avec prise en compte de la pression particulaire." Toulouse : INP Toulouse, 2006. http://ethesis.inp-toulouse.fr/archive/00000320.
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Hainline, Roger. "DESIGN OPTIMIZATION OF SOLID ROCKET MOTOR GRAINS FOR INTERNAL BALLISTIC PERFORMANCE." Master's thesis, University of Central Florida, 2006. http://digital.library.ucf.edu/cdm/ref/collection/ETD/id/2838.
Abstract:
The work presented in this thesis deals with the application of optimization tools to the design of solid rocket motor grains per internal ballistic requirements. Research concentrated on the development of an optimization strategy capable of efficiently and consistently optimizing virtually an unlimited range of radial burning solid rocket motor grain geometries. Optimization tools were applied to the design process of solid rocket motor grains through an optimization framework developed to interface optimization tools with the solid rocket motor design system. This was done within a programming architecture common to the grain design system, AML. This commonality in conjunction with the object-oriented dependency-tracking features of this programming architecture were used to reduce the computational time of the design optimization process. The optimization strategy developed for optimizing solid rocket motor grain geometries was called the internal ballistic optimization strategy. This strategy consists of a three stage optimization process; approximation, global optimization, and highfidelity optimization, and optimization methodologies employed include DOE, genetic algorithms, and the BFGS first-order gradient-based algorithm. This strategy was successfully applied to the design of three solid rocket motor grains of varying complexity. The contributions of this work was the development and application of an optimization strategy to the design process of solid rocket motor grains per internal ballistic requirements.M.S.
Department of Mechanical, Materials and Aerospace Engineering;
Engineering and Computer Science
Mechanical Engineering
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Wu, Jenq-dah. "Time-dependent, mixed-mode fracture of solid rocket motor bondline systems /." Digital version accessible at:, 1999. http://wwwlib.umi.com/cr/utexas/main.
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Moro, Tanguy. "Contribution à l'analyse mécano-fiabiliste des problèmes de contact entre solides déformables : application aux moteurs piézo-électriques." Besançon, 2000. http://www.theses.fr/2000BESA2030.
Abstract:
Les contacts mécaniques entre solides déformables existent dans de nombreuses structures. Ils constituent des singularités qu'il est impératif de considérer dès le dimensionnement et tout au long de la durée de vie des structures. Les modélisations théoriques du contact unilatéral conduisent à des problèmes complexes d'équations non-linéaires nécessitant une résolution numérique. Plusieurs méthodes numériques développées récemment apportent une solution efficace à ces problèmes. Toutefois, ces approches restent déterministes et négligent les aléas présents dans tout calcul de structures. Or, l'expérience montre que ces incertitudes sont à l'origine de nombreuses défaillances. Dans ce travail, nous proposons donc une application de la théorie de la fiabilité aux problèmes de contact entre solides déformables. En suivant la démarche de l'analyse de fiabilité, nous identifions les paramètres aléatoires, définissons les modes de défaillance potentiels dans un problème de contact entre solides déformables. . .
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Sibra, Alaric. "Modélisation et étude de l’évaporation et de la combustion de gouttes dans les moteurs à propergol solide par une approche eulérienne Multi-Fluide." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2015. http://www.theses.fr/2015SACLC019/document.
Abstract:
En propulsion solide, l'ajout de particules d'aluminium dans le propergol améliore de façon significative les performances du moteur grâce à une augmentation sensible de la température de chambre. La présence de gouttes d'aluminium et de résidus d'alumine de différentes tailles et en quantité importante a un impact notoire sur le fonctionnement du moteur. Dans cette optique, nous souhaitons obtenir une meilleure prévision de la stabilité de fonctionnement en cas de déclenchement d'instabilités d'origine aéroacoustique ou thermoacoustique. Nous visons des calculs plus précis de l'étendue de la zone de combustion, de la chaleur dégagée par la combustion distribuée des gouttes et de la distribution en taille des résidus. Nos efforts ont porté sur la modélisation des échanges entre la phase gazeuse et cette phase dispersée composée de gouttes de nature et de taille très diverses. Le paramètre taille pilotant la dynamique du spray et le couplage avec le gaz, le suivi précis des changements de taille est un enjeu majeur.Dans cette contribution, nous avons choisi une approche cinétique pour la description des sprays polydisperses. L'équation cinétique de Williams-Boltzmann utilisée pour suivre l'évolution des propriétés du spray est résolue par une approche eulérienne. Les méthodes Multi-Fluide (MF) traitent naturellement les changements de taille tels que l'évaporation et la coalescence. Ces méthodes reposent sur une intégration continue de la variable taille sur des intervalles fixes appelés sections sur lesquels nous pouvons dériver des systèmes d'équations de conservation. Chaque système est vu comme un fluide qui est en couplage fort avec la phase gazeuse via des termes sources.Nous avons travaillé sur une méthode MF à deux moments en taille basée sur une famille de fonctions de forme polynomiale pour reconstruire la distribution en taille au sein des sections. Cette approche d'ordre deux en temps et en espace s'avère performante car elle décrit avec précision l'évolution de la distribution avec un nombre modéré de sections. Un travail original a été mené afin d'étendre l'approche MF à des gouttes bicomposants. Cette méthode ouvre la voie à des modèles de combustion des gouttes d'aluminium plus représentatifs. Dans le contexte des simulations instationnaires, nous avons porté une attention particulière à l'emploi d'une stratégie numérique robuste et précise pour le couplage entre les phases modélisées par une approche Euler-Euler. Nous montrons qu'une méthode de splitting séparant le traitement du transport des phases gazeuse/dispersée de celui des termes sources est particulièrement adaptée pour la résolution d'un problème multi-échelle spatial et temporel. Dans la mesure où les conditions de réalisabilité sur les moments en taille des méthodes MF ne sont pas garanties avec des méthodes d'intégration traditionnelles, nous avons développé des schémas innovants pour l'intégration des termes sources. Les travaux proposés dans cette contribution répond à deux exigences : 1- un ratio coût/précision attractif pour des simulations industrielles 2- une facilité d'implémentation des méthodes et une modularité assurant la pérennisation des codes industriels. Ces développements ont d'abord été vérifiés à l'aide d'un code ad hoc ; des cas test d'étude d'acoustique diphasique linéaire ont notamment souligné la pertinence de la technique de splitting pour restituer avec précision les interactions spray-acoustique. Les nouvelles méthodes ont ensuite été implémentées et validées au sein du code multi-physique CEDRE développé à l'ONERA. Des calculs de propulsion solide sur des configurations moteur réalistes ont finalement mis en évidence le niveau de maturité atteint par les méthodes eulériennes pour décrire avec fidélité la dynamique des sprays polydisperses. Les résultats de ces simulations ont mis en avant la sensibilité des niveaux d'instabilités en fonction de la distribution en taille des gouttes d'aluminium et des résidusThe addition of a significant mass fraction of aluminum particle in the propellant of Solid Rocket Motors improves performance through an increase of the temperature in the combustion chamber. The distributed combustion of aluminum droplets in a portion of the chamber yields a massive amount of disperse aluminum oxide residues with a large size spectrum, called a polydisperse spray, in the entire volume. The spray can have a significant impact on the motor behavior and in particular on the onset/damping of instability. When dealing with aeroacoustical and thermoacoustical instabilities, the faithful prediction of the interactions between the gaseous phase and the spray is a determining step for understanding the physical mechanisms and for future solid rocket motor optimization. In such a harsh environment, experimental measurements have a hard time providing detailed explanation of the physical mechanisms and one has to resort to numerical simulation. For such a purpose, the distributed combustion zone and thermal profile therein, the heat generated by the combustion of the dispersed droplets and the large size distribution of the aluminum oxide residues and its coupling with he gaseous phase hydrodynamic and acoustic fields have to be accurately reproduced through a proper level of modeling and a high fidelity simulation including a precise resolution of size polydispersity, which is a key parameter.In this contribution, we choose a kinetic approach for the description of polydisperse sprays. The Williams-Boltzmann Equation is used to model the disperse phase and we derive a fully Eulerian approach through moment methods. The Multi-Fluid (MF) methods naturally treat droplet size evolution through phenomena such as evaporation and coalescence. These methods rely on the conservation of size moments on fixed intervals called sections and yield systems of conservation laws for a set of "fluids" of droplet of various sizes, which is strongly coupled with the gas phase via source terms. We derive a new optimal and flexible Two Size Moment MF method based on a family of polynomial reconstruction functions to describe the size distribution in the sections, which is second order accurate and particularly efficient at describing accurately the evolution of the size distribution with a moderate number of sections. An original work is also conducted in order to extend this approach to two-component droplets. For size moment MF methods, realizability of the moments is a crucial issue. Thus, we have developed innovative schemes for integrating source terms in moment conservation equations describing transport in phase space. This method enables the use of more representative aluminum droplet combustion models, and leads to more advanced studies of the distributed combustion zone. Moreover, for unsteady two-phase flow simulations, we have developed a robust and accurate coupling strategy between phases that are modeled by a fully Eulerian approach based on operator splitting in order to treat such spatial and temporal very multi-scale problems with reasonable computational time. All the proposed developments have been carried out following two criteria : 1- an attractive cost/accuracy ratio for industrial simulations in the context of high fidelity simulations 2- a preservation of industrial code legacy. Verification of the models and methods have been conducted first using an in-house reseach code and then in the context of a two-phase acoustic study thus emphasizing the relevance of the splitting technique to capture accurately spray-acoustic interactions
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Dupif, Valentin. "Modélisation et simulation de l’écoulement diphasique dans les moteurs-fusées à propergol solide par des approches eulériennes polydispersées en taille et en vitesse." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018SACLC050/document.
Abstract:
Les gouttes d’oxyde d’aluminium présentes en masse dans l’écoulement interne des moteurs-fusées à propergol solide ont tendance à influerde façon importante sur l’écoulement et sur le fonctionnement du moteur quel que soit le régime. L’objectif de la thèse est d’améliorerles modèles diphasiques eulériens présents dans le code de calcul semi-industriel pour l’énergétique de l’ONERA, CEDRE, en y incluant lapossibilité d’une dispersion locale des particules en vitesse en plus de la dispersion en taille déjà présente dans le code, tout en gardant unestructure mathématique bien posée du système d’équations à résoudre. Cette nouvelle caractéristique rend le modèle capable de traiter lescroisements de trajectoires anisotropes, principale difficulté des modèles eulériens classiques pour les gouttes d’inertie modérément grande.En plus de la conception et de l’analyse détaillée d’une classe de modèles basés sur des méthodes de moments, le travail se concentre sur larésolution des systèmes d’équations obtenus en configurations industrielles. Pour cela, de nouvelles classes de schémas précis et réalisables pourle transport des particules dans l’espace physique et l’espace des phases sont développées. Ces schémas assurent la robustesse de la simulationmalgré différentes singularités (dont des chocs, -chocs, zones de pression nulle et zones de vide...) tout en gardant une convergence d’ordredeux pour les solutions régulières. Ces développements sont conduits en deux et trois dimensions, en plus d’un référentiel bidimensionnelaxisymétrique, dans le cadre de maillages non structurés.La capacité des schémas numériques à maintenir un niveau de précision élevé tout en restant robuste dans toutes les conditions est un pointclé pour les simulations industrielles de l’écoulement interne des moteurs à propergol solide. Pour illustrer cela, le code de recherche SIERRA,originellement conçu durant les année 90 pour les problématiques d’instabilités de fonctionnement en propulsion solide, a été réécrit afin depouvoir comparer deux générations de modèles et de méthodes numériques et servir de banc d’essais avant une intégration dans CEDRE. Lesrésultats obtenus confirment l’efficacité de la stratégie numérique choisie ainsi que le besoin d’introduire, pour les simulations axisymétriques,une condition à la limite spécifique, développée dans le cadre de cette thèse. En particulier, les effets à la fois du modèle et de la méthodenumérique dans le contexte d’une simulation de l’écoulement interne instationnaire dans les moteurs-fusées à propergol solide sont détaillés.Par cette approche, les liens entre des aspects fondamentaux de modélisation et de schémas numériques ainsi que leurs conséquences pour lesapplications sont mis en avantThe massive amount of aluminum oxide particles carried in the internal flow of solid rocket motors significantly influences their behavior.The objective of this PhD thesis is to improve the two-phase flow Eulerian models available in the semi-industrial CFD code for energeticsCEDRE at ONERA by introducing the possibility of a local velocity dispersion in addition to the size dispersion already taken into accountin the code, while keeping the well-posed characteristics of the system of equations. Such a new feature enables the model to treat anisotropicparticle trajectory crossings, which is a key issue of Eulerian models for droplets of moderately large inertia.In addition to the design and detailed analysis of a class of models based on moment methods, the conducted work focuses on the resolution ofthe system of equations for industrial configurations. To do so, a new class of accurate and realizable numerical schemes for the transport ofthe particles in both the physical and the phase space is proposed. It ensures the robustness of the simulation despite the presence of varioussingularities (including shocks, -shocks, zero pressure area and vacuum...), while keeping a second order accuracy for regular solutions. Thesedevelopments are conducted in two and three dimensions, including the two dimensional axisymmetric framework, in the context of generalunstructured meshes.The ability of the numerical schemes to maintain a high level of accuracy in any condition is a key aspect in an industrial simulation of theinternal flow of solid rocket motors. In order to assess this, the in-house code SIERRA, originally designed at ONERA in the 90’s for solidrocket simulation purpose, has been rewritten, restructured and augmented in order to compare two generations of models and numericalschemes, to provide a basis for the integration of the features developed in CEDRE. The obtained results assess the efficiency of the chosennumerical strategy and confirm the need to introduce a new specific boundary condition in the context of axisymmetric simulations. Inparticular, it is shown that the model and numerical scheme can have an impact in the context of the simulation of the internal flow ofsolid rocket motors and their instabilities. Through our approach, the shed light on the links between fundamental aspects of modeling andnumerical schemes and their consequences on the applications
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Tran, Phu Ho. "Analyse numérique des écoulements internes au sein des moteurs à propergol solide. Vers une prise en compte des mécanismes instationnaires couplés." Thesis, Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique, 2013. http://www.theses.fr/2013ESMA0030/document.
Abstract:
La caractérisation et la simulation des écoulements internes au sein des moteurs àpropergol solide, en considérant des mécanismes physiques fortement couplés, constituentl’objectif principal de ce mémoire de thèse. Dans cette optique, la conjonction entrefluide/régression de surface/couplage fluide structure a imposé de déployer une stratégiepropre lors du développement de la modélisation numérique. En effet, le modèle intègre untraitement de frontière immergée couplé avec un suivi de frontière mobile afin de pouvoirrendre compte de la formidable variation géométrique interne subie au cours d’un tir. Côtéfluide, un maillage automatique est nécessaire et la gestion de ce dernier s’appuie sur undéveloppement récursif avec structure hiérarchisée de type 2n tree. Une attention particulièrea été portée sur le solveur lui-même avec une approche explicite en temps et un schémanumérique basé sur l’approche de Roe avec limiteur de flux au second ordre. Des cas testsont été réalisés afin de valider le solveur et les différentes conditions aux limites introduites,notamment des conditions spécifiques développées pour les besoins de simulation. Lespremiers résultats soulignent tout l’intérêt du modèle proposé et sauf erreur de notre part,pour la première fois, l’analyse des sources tourbillonnaires responsables des instabilités ausein de ces moteurs a été étudiée en intégrant les effets du changement continu de géométrie.Finalement, la faisabilité d’une interaction forte entre solveur fluide et solveur solide a étéréalisée sur un modèle simplifié d’un moteur segmenté.L’ensemble des développements permet un accès aux mécanismes couplés complexeset aux fortes interactions au sein des moteurs à propergol solide et offre de nouvellesperspectives dans la caractérisation des mécanismes fortement couplésCharacterization and simulation of internaI flow within the solid rocket motors, considering the physicalmechanisms strongly coupled, are the main focus of this thesis objective. In this context, the conjunctionbetween fluid/regression surface/fluid coupling structure imposed deploy c1ean during the development ofnumerical modeling strategy. Indeed, the model incorporates treatment coupled with an immersed boundarytracking moving boundary in order to realize the tremendous internai geometric variation experienced during ashot. Fluid side, an automatic mesh is required and the management of the latter is based on a recursivehierarchical structure development with type 2" tree. Particular attention was paid to the solver itself with anexplicit approach to time and a numerical scheme based on the approach of Roe with flow limiter in the secondorder. Tests cases were conducted to validate the sol ver and different boundary conditions introduced, inc1udingspecific conditions developed for the purpose of simulation. The first results emphasize the interest of theproposed and unless our error model, for the first time, the analysis of the sources responsible vortex instabilitiesin these engines has been studied by incorporating the effects of continuous change in geometry. Finally, thefeasibility of a strong interaction between fluid and solid solver was conducted on a simplified model of a multiengine.AlI the developments allows access to complex mechanisms coupled and strong interactions in solidrocket motors and off ers new insights into the characterization of strongly coupled mechanisms
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Tran, Ho Phu. "Analyse numérique des écoulements internes au sein des moteurs à propergol solide. Vers une prise en compte des mécanismes instationnaires couplés." Phd thesis, ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechique - Poitiers, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00951242.
Abstract:
La caractérisation et la simulation des écoulements internes au sein des moteurs àpropergol solide, en considérant des mécanismes physiques fortement couplés, constituentl'objectif principal de ce mémoire de thèse. Dans cette optique, la conjonction entrefluide/régression de surface/couplage fluide structure a imposé de déployer une stratégiepropre lors du développement de la modélisation numérique. En effet, le modèle intègre untraitement de frontière immergée couplé avec un suivi de frontière mobile afin de pouvoirrendre compte de la formidable variation géométrique interne subie au cours d'un tir. Côtéfluide, un maillage automatique est nécessaire et la gestion de ce dernier s'appuie sur undéveloppement récursif avec structure hiérarchisée de type 2n tree. Une attention particulièrea été portée sur le solveur lui-même avec une approche explicite en temps et un schémanumérique basé sur l'approche de Roe avec limiteur de flux au second ordre. Des cas testsont été réalisés afin de valider le solveur et les différentes conditions aux limites introduites,notamment des conditions spécifiques développées pour les besoins de simulation. Lespremiers résultats soulignent tout l'intérêt du modèle proposé et sauf erreur de notre part,pour la première fois, l'analyse des sources tourbillonnaires responsables des instabilités ausein de ces moteurs a été étudiée en intégrant les effets du changement continu de géométrie.Finalement, la faisabilité d'une interaction forte entre solveur fluide et solveur solide a étéréalisée sur un modèle simplifié d'un moteur segmenté.L'ensemble des développements permet un accès aux mécanismes couplés complexeset aux fortes interactions au sein des moteurs à propergol solide et offre de nouvellesperspectives dans la caractérisation des mécanismes fortement couplés.
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Mathieu, Antoine. "Contribution à la conception et à l'optimisation thermodynamique d'une microcentrale solaire thermo-électrique." Thesis, Université de Lorraine, 2012. http://www.theses.fr/2012LORR0027/document.
Abstract:
En ce début de millénaire 1,4 Milliards d'humains, parmi les plus démunis de la planète, vivent dans des sites isolés et ne bénéficient pas de réseaux de distribution d'énergie. Leur besoin en électricité est modeste, mais important en terme d'usages : accès aux soins médicaux et à l'instruction, communication, développement d'économies locales. C'est face à ce constat que Schneider Electric Industries relève, depuis 2009, le défi de concevoir et réaliser des microcentrales solaires thermodynamiques, concurrentielles à d'autres solutions, pour fournir à ces populations une énergie électrique fiable et respectueuse de l'environnement. Inscrit dans le cadre de ce projet, le présent travail - réalisé en Cifre - est séquencé par l'évolution industrielle du projet. Dans un premier temps, un Etat de l'Art, étendu à une analyse de détail, a contribué à privilégier certains choix technologiques : capteurs solaires à concentration, stockage thermique à chaleur sensible et moteur de Stirling. Dans un second temps, une étude thermodynamique préliminaire a permis d'évaluer le dimensionnement d'éléments clefs du système : champ de captage solaire et stockage thermique. En complément une étude de sensibilité paramétrique du dimensionnement et des performances à divers facteurs de pertes énergétiques a souligné les points durs techniques et participé à l'orientation des travaux de conception. Enfin, l'analyse exergétique de fonctionnement de capteurs solaires et d'un moteur Stirling en régimes dynamiques stationnaires proposent des bases pour l'optimisation de contrôle et commande, visant à accroître les performances énéergétiques du système et favoriser sa viabilité thermoéconomiqueAs a new millenium begins, 1.4 Billion people worldwide earn less than 2 dollars daily and have no access to the power grid. The need of electric power of these people represent small energy amounts but is very important regarding to the usage : acces to healthcare and education, communication, local economic development. In reponse to the situation, since 2009, Schneider Electric Industries takes up the challenge to design and realize micro solar power plants, competitive with other solutions, to supply these people with reliable and environment-friendly electricity. Dealing with this project, this work has been realized under contract, so it follows the development sequence of the industrial project. The first part is a State of the Art of the actual solar thermodynamical technologies. This task is extended to a qualitative evaluation of various technologies, as a contribution to select adapted technologies: concentrating solar thermal receivers, sensible heat thermal storage and Stirling engine. The secon step is a preliminary thermodynamics analysis of the whole system, that allowed to evaluate key features: the size of the solar receivers area, the thermal storage volume, and overall energy performance. This task is streched by a sensitivity analysis of the sizing and performances, according to various energy losses parameters, that shows the technical hard spots of the design. Finally, an exergy-based dynamical analysis of stationary operating solar receivers and Stirling engines leads to a propostion of basis methods and criteria for the optimal control of power, in order to maximize the energy performances of the system and to enhance its competitiveness
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Kyriakides, Steven Alan. "Characterization of Shear Strengths and Microstructures for Solid Rocket Motor Insulation Materials." Thesis, Virginia Tech, 2007. http://hdl.handle.net/10919/35974.
Abstract:
As advances in solid rocket technology push rocket motors to more extreme operating speeds and temperatures, it becomes increasingly important to have well-designed material systems capable of surviving these harsh conditions. One common component in these systems is the use of a fiber- and particle-reinforced EPDM insulation layer between the motor casing and the solid fuel to shield the casing from the temperatures of the burning fuel and from the high velocity of gas particles traveling within the motor. This work studies several insulation materials to determine which exhibits the highest shear strength after being charred. Double-notch shear test specimens of three materials, ARI-2718, ARI-2719, and ARI-2750, were charred and tested to measure the failure strength of each charred material. The ARI-2750 showed the highest shear strength when loaded along the material orientation, but the ARI-2719 was strongest when transversely loaded. The strength measurements for ARI-2750 were highly sensitive to loading direction, unlike ARI-2718 and ARI-2719. Extensive scanning electron microscopy to identify correlations between shear strength and microstructure revealed that the amount of fiber orientation and amount of residual matrix material may have significant impacts on charred shear strength in these materials.Master of Science