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Modélisation eulérienne de la phase dispersée dans les moteurs à propergol solide, avec prise en compte de la pression particulaire

Simoes, Marine (2006) Modélisation eulérienne de la phase dispersée dans les moteurs à propergol solide, avec prise en compte de la pression particulaire. (An Eulerian model of the dispersed phase in solid rocket motors that includes a particulate pressure term.)

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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. ABSTRACT : An accurate model of compressible, reactive, dispersed two-phase flows is needed to correctly predict steady or unsteady behavior of a solid rocket motor such as the Ariane 5. Indeed, the dispersed phase plays an essential role in pressure oscillation levels that may occur during operation. Therefore, we have developed an advanced Eulerian model that accounts for the particulate velocity variance in a simple way. This 3-equation model exhibits a particulate pressure term which is function of the solid volume fraction and a constant parameter. The particulate pressure tends to homogenize particles concentration and consequently has a major influence on particle dispersion. We have also developed a more complex model with 4 equations, where the particulate kinetic stress tensor is modelled with a Boussinesq assumption. In this model, the particulate pressure is function of both the solid volume fraction and the particulate fluctuating kinetic energy. These two models have been implemented in a CFD code. Some numerical simulations have been performed and results obtained are clearly improved compared to Eulerian models without a particulate pressure term. In particular unrealistic accumulations of particles, which point out a well-known flaw of these basic models, are shown to disappear.

Department:Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse - IMFT (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Simonin, Olivier
Uncontrolled Keywords:Véhicules spatiaux - Propulsion – Ecoulement gaz-particules – Ecoulements diphasiques - Modèles mathématiques – Simulation par ordinateur – Propergols solides – Oscillations de pression
Subjects:Hydraulics > Fluid dynamics
Deposited On:18 December 2006

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