Modélisation et étude de l’évaporation et de la combustion de gouttes dans les moteurs à propergol solide par une approche eulérienne Multi-Fluide

En propulsion solide, l'ajout de particules d'aluminium dans le propergol ameliore de facon significative les performances du moteur grâce a une augmentation sensible de la temperature de chambre. La presence de gouttes d'aluminium et de residus d'alumine de differentes tailles et en quantite importante a un impact notoire sur le fonctionnement du moteur. Dans cette optique, nous souhaitons obtenir une meilleure prevision de la stabilite de fonctionnement en cas de declenchement d'instabilites d'origine aeroacoustique ou thermoacoustique. Nous visons des calculs plus precis de l'etendue de la zone de combustion, de la chaleur degagee par la combustion distribuee des gouttes et de la distribution en taille des residus. Nos efforts ont porte sur la modelisation des echanges entre la phase gazeuse et cette phase dispersee composee de gouttes de nature et de taille tres diverses. Le parametre taille pilotant la dynamique du spray et le couplage avec le gaz, le suivi precis des changements de taille est un enjeu majeur.Dans cette contribution, nous avons choisi une approche cinetique pour la description des sprays polydisperses. L'equation cinetique de Williams-Boltzmann utilisee pour suivre l'evolution des proprietes du spray est resolue par une approche eulerienne. Les methodes Multi-Fluide (MF) traitent naturellement les changements de taille tels que l'evaporation et la coalescence. Ces methodes reposent sur une integration continue de la variable taille sur des intervalles fixes appeles sections sur lesquels nous pouvons deriver des systemes d'equations de conservation. Chaque systeme est vu comme un fluide qui est en couplage fort avec la phase gazeuse via des termes sources.Nous avons travaille sur une methode MF a deux moments en taille basee 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'avere performante car elle decrit avec precision l'evolution de la distribution avec un nombre modere de sections. Un travail original a ete mene afin d'etendre l'approche MF a des gouttes bicomposants. Cette methode ouvre la voie a des modeles de combustion des gouttes d'aluminium plus representatifs. Dans le contexte des simulations instationnaires, nous avons porte une attention particuliere a l'emploi d'une strategie numerique robuste et precise pour le couplage entre les phases modelisees par une approche Euler-Euler. Nous montrons qu'une methode de splitting separant le traitement du transport des phases gazeuse/dispersee de celui des termes sources est particulierement adaptee pour la resolution d'un probleme multi-echelle spatial et temporel. Dans la mesure ou les conditions de realisabilite sur les moments en taille des methodes MF ne sont pas garanties avec des methodes d'integration traditionnelles, nous avons developpe des schemas innovants pour l'integration des termes sources. Les travaux proposes dans cette contribution repond a deux exigences : 1- un ratio cout/precision attractif pour des simulations industrielles 2- une facilite d'implementation des methodes et une modularite assurant la perennisation des codes industriels. Ces developpements ont d'abord ete verifies a l'aide d'un code ad hoc ; des cas test d'etude d'acoustique diphasique lineaire ont notamment souligne la pertinence de la technique de splitting pour restituer avec precision les interactions spray-acoustique. Les nouvelles methodes ont ensuite ete implementees et validees au sein du code multi-physique CEDRE developpe a l'ONERA. Des calculs de propulsion solide sur des configurations moteur realistes ont finalement mis en evidence le niveau de maturite atteint par les methodes euleriennes pour decrire avec fidelite la dynamique des sprays polydisperses. Les resultats de ces simulations ont mis en avant la sensibilite des niveaux d'instabilites en fonction de la distribution en taille des gouttes d'aluminium et des residus.