Littérature scientifique sur le sujet « Injecteurs coaxiaux »

La propulsion aérospatiale a connu en matière de gain de puissance et de fiabilité, une évolution importante durant les dernières décennies. Ces deux points restent cependant entièrement d'actualité pour le développement des futurs moteurs spatiaux. La progression vers ces objectifs passe par une meilleure compréhension des phénomènes physiques mis en jeux lors de la combustion dans les moteurs cryotechniques. Dans cette optique, ce mémoire concerne l'étude de la combustion hydrogène-oxygène en phase gazeuse, stabilisée sur des injecteurs coaxiaux de moteurs fusées. L'objet de ces travaux est la caractérisation de la flamme hydrogène-oxygène à l'aide de, la tomographie laser, l'anémométride Doppler laser, la vélocimétrie par inter corrélation d'images de particules et de l'imagerie de l'émission spontanée du radical OH*. Nous avons donc déterminé les régimes de fonctionnement des flammes H₂/O₂ ainsi que l'impact des grandes structures présentes dans le jet d'hydrogène sur le front de flamme. L'étude a été basée sur la variation de paramètres tels que le diamètre des injecteurs, le rapport de mélange et les vitesses débitantes. Cela a permis de caractériser l'effet d'échelle des injecteurs ainsi que l'impact des conditions du mélange sur le développement de la flamme. Les mesures obtenues dans cette étude constituent une base de données sur le développement dynamique de la flamme hydrogène-oxygène ainsi que sur l'interaction entre la flamme et la turbulence. De plus, le mode de stabilisation de la flamme a été étudié de façon très précise. Il a été montré que l'épaisseur de la lèvre de l'injecteur est un paramètre déterminant pour la stabilisation. En plus de la caractérisation globale et locale de la combustion H₂/O₂ à haute vitesse, les résultats de cette étude forment une base de données utile pour la modélisation et la simulation numérique de ce type de combustion.

Dans le cadre des travaux de cette these, nous avons propose, en premier lieu, une modification a la methode de mesure de la granulometrie basee sur la mesure des piedestaux; celle-ci consiste a determiner la fonction de repartition des piedestaux, au lieu de la densite de probabilite. Cette methode a servi a l'etude des jets engendres, par des injecteurs coaxiaux. En deuxieme lieu, nous avons effectue des mesures de la concentration locale en phase liquide, en proposant d'une part, la mesure de celle-ci par la methode de la diffusion de la lumiere, et d'autre part par la methode de comptage opto-electronique des particules traversant le volume de mesure d'un anemometre laser-doppler. L'etude de la concentration nous a amene a nous interesser a la diffusivite turbulente, et au nombre de schmidt. En considerant les profils mesures des vitesses de l'air et des concentrations le long du jet, on a pu calculer les distributions de la diffusivite turbulente equivalente et d'evaluer l'evolution du nombre de schmidt le long de l'axe du jet

La conception des fusées est soumise à une pression croissante pour réduire leurs coûts de développement. L’utilisation de la CFD pour la simulation des processus de combustion des moteurs-fusées (LRE) peut constituer une alternative économique aux coûteuses expériences. Pourtant, une approche holistique pour la conception préliminaire avec la CFD n’est pas encore pratique. Des modèles de substitution appropriés peuvent contourner ce dilemme grâce à des temps de restitution rapides, sans perte de précision significative. La conception d’un injecteur a un impact direct sur l’efficacité de la combustion et les charges thermiques. Dans ce travail, nous procédons à l’évaluation des stratégies appelées data-driven pour obtenir des modèles de substitution des injecteurs coaxiaux. Un accent particulier est mis sur les techniques supervisées d’apprentissage profond (DL). Nous commençons par réaliser une validation du concept, en construisant une base de données de ∼3600 simulations 2D axisymétriques RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) d’injecteurs coaxiaux couvrant un espace de paramètres à 9 dimensions, comprenant la géométrie et le régime de combustion. Des modèles de quantités scalaires d’intérêt (QoI), du profil de flux de chaleur de paroi 1D et de champ de température moyen 2D, sont formés et validés. Les modèles utilisent des réseaux neuronaux entièrement connectés (FCNN), et un U-Net adapté pour le cas 2D. Les résultats se comparent bien à d’autres méthodes établies sur l’ensemble des données d’essai. L’approche RANS présente des lacunes évidentes lorsqu’il s’agit d’applications de combustion turbulente. Au lieu de cela, les simulations aux grandes échelles (LES), sont en principe mieux adaptées à la modélisation de la combustion turbulente. La méthodologie déployée sur les données RANS est donc appliquée sur une base de données de ∼100 LES d’injecteurs couvrant un espace de conception 3D, à un coût par échantillon beaucoup plus élevé que RANS. En raison des coûts de calculs élevés, des maillages grossiers ainsi que d’autres simplifications sont adoptés pour la génération de cette base de données LES, qui est ainsi qualifiée de basse fidélité (LF). Les FCNN et les U-Nets sont utilisés pour obtenir des modèles de substitution des QoI scalaires etdes champs stationnaires 2D avec des performances satisfaisantes pour la tâche de prédiction LF. Afin d’améliorer la qualité des modèles obtenus au sens de leur capacité à décrire les phénomènes physiques, sans pour autant devoir les entraîner sur des simulations plus raffinées et coûteuses, une approche multifidélité (MF) est envisagée en tirant parti de l’apprentissage par transfert inductif sur les U-Nets. Les modèles sont réentraînés et validés sur un ensemble plus petit de ∼10 échantillons de haute fidélité (HF). Le modèle MF donne de bons résultats dans la tâche de prédiction HF sur les échantillons de test, avec la topologie de flamme souhaitée, à un coût de calcul bien inférieur à ce qu’aurait coûté uniquement sur des données HF. Par ailleurs, les informations liées au comportement dynamique restituées par la LES sont exploitées pour le développement de modèles d’ordre réduit pour la prédiction spatio-temporelle de l’écoulement réactif. Nous développons des émulateurs d’un injecteur LRE au moyen d’autoencodeurs convolutifs (CNN-AE) et d’un multilayer perceptron (MLP). Le contenu spectral reconstruit du signal surpasse celui d’une POD équivalente, ce qui démontre la capacité de compression supérieure du CNN-AE. Cependant, des problèmes de régularité sont soulevés lors de la propagation de l’émulateur au-delà de l’horizon d’apprentissage. Enfin, ce travail met en évidence les défis et les opportunités de l’utilisation de la DL pour la prédiction des caractéristiques stationnaires et dynamiques des données LES de l’écoulement réactif dans un injecteur de moteur fusée
The design of rocket propulsion systems is under growing pressure of reducing development costs. The use of CFD codes for the simulation of rocket engine combustion processes can provide an economical alternative to costly experiments which have traditionally been at the core of liquid rocket engines (LREs) development. Nonetheless, a holistic approach for preliminary design analysis and optimization is not yet practical, as the exploration of the entire engine design space via high-fidelity numerical simulations is intractable. Appropriate surrogate models may circumvent this dilemma through fast restitution times, without significant accuracy loss. The liquid rocket engine injector is a key subsystem within the LRE, whose design directly impacts flame development, combustion efficiency, and thermal loads. The multiscale nature of turbulent, non-premixed combustion, makes the modeling of injection, particularly complex. In this work, we proceed to evaluate data driven strategies for obtaining surrogate models of LRE shear coaxial injectors. A specific emphasis is taken on supervised, deep learning (DL) techniques for regression tasks. The base injector configuration is inspired on an existing experimental rocket combustor from TUM, operating with a GOx/GCH 4 mixture. We begin by conducting a proof-of-concept (PoC), by offline sampling a database of ∼3600 Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS), 2D axisymmetric simulations of single element coaxial injectors spanning a 9 dimensional parameter space comprising geometry and combustion regime. Subsequent models of scalar quantities of interest (QoIs),1D wall heat flux profile, and 2D average temperature field are trained and validated. The models use Fully Connected Neural Networks and an adapted U-Net for the 2D case. The results perform well against other established surrogate modeling methods over the test dataset. The RANS approach has evident shortcomings when dealing with turbulent combustion applications. Instead, Large Eddy Simulations (LES), are in principle, better suited to model turbulent combustion, while furnishing information about dynamical flow features. We proceed to replicate the (PoC) efforts, albeit on a database of ∼100 LES of shear coaxial injectors spanning a 3D design space, at a much larger cost per sample than RANS. A dedicated LES data generation pipeline is put in place. Due to the cost, the LES are low-fidelity (LF) in view of the modeling simplifications, i.e. coarse meshes, global chemistry, etc. CNNs and U-Nets are used to obtain surrogate models of scalar QoIs and 2D stationary fields with satisfactory performance over the LF prediction task. To improve the overall fidelity of the surrogate, a multi-fidelity (MF) approach is considered by leveraging inductive transfer learning over our U-Nets. The decoding layers are retrained and validated over a smaller pool of ∼10 of high-fidelity (HF) samples, i.e. finer resolution. The MF surrogate performs well in the HF prediction task over the test samples, with the desired flame topology, at a lower computational cost of the offline sampling stage. The dynamic data of LES, motivates the development of reduced order models (ROMs) for the spatio-temporal prediction of the injector flame. We develop emulators of a LRE injector flame by means of convolutional autoencoders (CNN-AE) and multi-layer perceptron (MLP) for propagating in time the latent vectors. The reconstructed spectral content of the signal outperforms that of a standard POD with equal latent space dimension, demonstrating the superior compression capability of the CNN-AE. However, manifold regularity concerns are raised when propagating the emulator beyond the training horizon. Finally, this work evidences the challenges and opportunities of the use of DL for the prediction of stationary and dynamical features of LES data for a complex reactive flow configuration of a LRE coaxial injector

L'étude d'un injecteur coaxial assisté a été menée sur les plans expérimentaux et théoriques. Du point de vue théorique, on a développé l'analyse linéaire d'un jet liquide cylindrique placé dans un écoulement annulaire co-courant. Le phénomène d'atomisation auquel nous nous sommes intéressés a été traité comme un cas asymptotique de ce modèle. L'atomisation est alors caractérisée par la taille moyenne des gouttes formées, l'angle de spray et la longueur du cône liquide. Du point de vue expérimental, la structure du spray formé a été étudiée par visualisation. L'exploration granulométrique a été conduite à l'aide d'un appareil Malvern dans la zone proche de la sortie de l'injecteur. Les résultats ont été obtenus en balayant différents paramètres de fonctionnement: vitesse relative gaz/liquide, nature du liquide (tension superficielle), épaisseur de l'espace annulaire. L'influence du confinement du jet a été abordée. Dans la zone de spray proche de la sortie de l'injecteur, la comparaison des diamètres de gouttes moyens mesures et calcules est satisfaisante

La stabilisation de la combustion diphasique en aval d'un injecteur méthanol/air a été étudiée. L'interférométrie phase Doppler a fourni les champs de vitesse des gouttes analysées par classe de taille. Des images bidimensionnelles des zones de réaction ont été réalisées par fluorescence induite par laser du radical OH. Les niveaux de gris de ces images ont été étalonnées en concentration absolue de OH, et la position de la stabilisation de la flamme a été mesurée. La stabilisation des flammes turbulentes non-prémélangées peut être modélisée à partir du mélange turbulent à grande échelle. La comparaison des champs de vitesse dans le spray et des localisations de la stabilisation de la flamme a montré que ce résultat peut être étendu à la combustion diphasique. L'analyse des fluctuations de vitesse des gouttes en fonction de leur nombre de Stokes a montré le comportement dynamique bimodal du spray dans la zone où la flamme se stabilise. Ne considérant que le fluide à faible nombre de Stokes, la combustion a été analysée dans le référentiel de la fraction de mélange. L'accent a été mis sur le régime dit de vaporisation où les flammes se stabilisent selon deux zones réactives nettement séparées. Deux limites à ce régime apparaissent, une limite inférieure due à la mauvaise qualité de l'atomisation et une limite supérieure dynamique quand le temps de mélange à grande échelle devient trop rapide. La comparaison aux résultats expérimentaux montre que cette analyse décrit correctement le phénomène de stabilisation

Ce travail s'inscrit dans le cadre de recherches sur la combustion diphasique dans les chambres propulsives des moteurs aéronautiques et spaciaux. Tout d'abord, une description des techniques d'investigation existantes pour caractériser la phase liquide dispersée dans un environnement réactif et une revue des différentes approches utilisées pour la modélisation des écoulements polyphasiques sont effectuées. Le montage expérimental est ensuite présenté dans la deuxième partie. Inspire par les systèmes a ergols liquides stockables, il s'agit d'un injecteur coaxial avec, au centre, un jet liquide de monométhylhydrazine entouré par un jet annulaire d'air enrichi en oxygène. Une étude détaillée des caractéristiques du brouillard est réalisée en fonctionnement isotherme grâce à un analyseur de particules phase-Doppler. La troisième partie est consacrée au développement et à la validation d'un code de calcul pour la simulation de l'écoulement diphasique turbulent isotherme. Une formulation Eulérienne est utilisée pour les deux phases. La dernière partie décrit l'étude du brouillard en combustion. Tout d'abord des visualisations de la flamme diphasique par tomographie laser révèlent l'existence de deux modes de flamme en fonction du rapport des vitesses de sortie. Une méthode de granulométrie par numérisation et traitement d'images de films est proposée. Un modèle de combustion de brouillard est ensuite utilise pour prédire l'écoulement réactif. La comparaison des diamètres et des concentrations calculées avec les données disponibles s'avère encourageante. La simulation numérique permet enfin de proposer une explication à l'existence de régimes de combustion différents.

Dans le cadre de la recherche appliquee au moteur cryotechnique vulcain d'ariane v, cette etude porte sur la caracterisation en fluides simules eau/air de la pulverisation d'un jet issu d'un injecteur coaxial assiste. La zone dense est etudiee par une fibre optique donnant acces au taux de presence du liquide (tpl). La vitesse et la taille des particules sont detectees en zone diluee par un analyseur de particule a effet doppler (pdpa). Un plan laser pulse est utilise pour visualiser et interpreter les mecanismes. Le non-respect du critere d'ecoulement de liquide pleinement developpe amplifie la turbulence du liquide qui, des son ejection, se rompt sans modifier cependant la taille des particules formees. La mise en retrait du tube de liquide par rapport a celui du gaz ameliore le melange par une amplification dans le champ proche du transfert de quantite de mouvement. L'augmentation de l'epaisseur de la couronne gazeuse ameliore la pulverisation par un prolongement de la cinetique d'arrachage avec toutefois un risque d'apparition de confinement de la pulverisation. Chacun de ces mecanismes est ensuite modelise par son influence sur la longueur de rupture. Un modele integral, base sur les lois de conservation, sert a predire le flux de liquide atomise sur une section du jet. Il utilise, en complementarite, les donnees du pdpa et de la fibre optique. Un profil de vitesse du liquide du type abramovich et un critere de taux de presence de liquide inferieur a 0,5 pour definir la zone atomisee constituent les hypotheses du modele. L'analyse par fibre optique d'un jet d'oxygene liquide brosse par un gaz inerte nous a permis de caracteriser la longueur de rupture. L'utilisation de trois differents gaz coaxiaux permet de penser qu'au terme de rapport initial des densites de flux de quantite de mouvement gaz/liquide, il faille adjoindre le rapport des masses volumiques pour une representation plus complete