Développement et validation expérimentale d'une modélisation numérique pour la simulation d'un moteur-fusée hybride - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

Development and experimental validation of a numerical modeling for hybrid rocket engine CFD simulation

Développement et validation expérimentale d'une modélisation numérique pour la simulation d'un moteur-fusée hybride

Résumé

Because of its advantages (safety, reliability, performances, throttleability, low-cost, low impact on the environment), hybrid rocket engines (HRE) can offer a relevant alternative to solid and liquid propulsion systems in some space applications as apogee missions for geostationary satellites or suborbital transportation for tourism purposes. The performances of hybrid rocket are controlled by the combustion process, wherein the behavior of the fuel mass flow rate produced by the pyrolysis of the solid fuel plays a key role. The experimental research though essential is expensive and provides hardly any evidence on the aforementioned process. Nevertheless, the numerical simulations can produce affordable and useful complementary data on the flow fields and the energy transfers, not available experimentally because of the extreme environment. However, a useful computed flow field must be able to represent the actual intern ballistics of hybrid rocket engines. Particularly, the fuel regression behavior has to be modeled with the physical coupling between the fuel regression rate and the thermochemical phenomena in the turbulent boundary layer. The Gas-Surface Interaction model (GSI) enables the simulation to represent the fuel regression rate and the related physical coupling phenomena by considering the conservation of mass and energy exchanges through the fuel surface. The thesis aims at developing and assessing experimentally a numerical model for hybrid rocket simulations to get useful data complementary to experiments. According to a sensitivity analysis carried out on the implemented model, the turbulence modeling, taking into account the Wilcox’s wall blowing correction, turns out to be essential to provide realistic values for the fuel regression velocity. By contrast, no combustion model can be noticed to improve the modeling due to the highly complex turbulence-chemistry interactions with the fuel regression phenomenon. A new ballistic reconstruction technique is developed to regenerate the space and time dependent fuel regression rate field in the port. The validation process shows the ability of the modeling in providing convincing fuel regression velocity values even though limitations have been stated when assessing
Grâce à ses avantages (sûreté,performances propulsives, manœuvrabilité, bon marché et faible impact environnemental), la propulsion hybride, combinant un oxydant liquide et un combustible solide, offre une alternative pertinente aux systèmes de propulsion solide et liquide pour des missions de mise à poste de satellites. Les performances du moteur hybride sont pilotées par le processus de combustion dans lequel le comportement de la régression du combustible joue un rôle déterminant. Bien qu'essentielle, la recherche expérimentale est coûteuse et ne peut fournir une description détaillée de ce processus. La simulation numérique peut en revanche fournir des données complémentaires sur l'écoulement et les transferts, non accessibles expérimentalement compte tenu des ambiances sévères. En particulier, le comportement de la régression du combustible est modélisé en prenant en compte le couplage physique entre la vitesse de régression du combustible et les processus aérothermochimiques de l'écoulement dans la couche limite turbulente, via le modèle d'Interaction Gaz-Surface (IGS) basé sur les bilans des échanges de masse et d'énergie à la surface du combustible. L'objectif de la thèse est de développer et valider expérimentalement une modélisation numérique prenant en compte le modèle IGS afin d'obtenir une représentation réaliste de la balistique interne d'un moteur hybride. Une analyse de sensibilité menée sur la modélisation mise en place a démontré que la correction du modèle de turbulence pour le soufflage pariétal proposée par Wilcox est essentielle pour représenter convenablement la vitesse de régression du combustible. En revanche, aucun modèle de combustion n'a pu être mis en évidence à cause de la complexité due au couplage entre la turbulence et les aspects chimiques. Une technique de restitution de la distribution spatiale et temporelle de la vitesse de régression expérimentale a également été développée pour définir une méthode de validation recouvrant complètement le comportement de la régression du combustible. Le processus de validation a cependant montré l'insuffisance de la modélisation à rendre compte de ce comportement.
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tel-02919827 , version 1 (24-08-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02919827 , version 1

Citer

Jean-Etienne Durand. Développement et validation expérimentale d'une modélisation numérique pour la simulation d'un moteur-fusée hybride. Sciences de l'ingénieur [physics]. UNIVERSITE DE TOULOUSE, 2019. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02919827⟩

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