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Analyse multi-échelle de l’atomisation primaire dans les moteurs-fusées cryotechniques
Analyse multi-échelle de l’atomisation primaire dans les moteurs-fusées cryotechniques [1]
Mots clés
Propulsion fusée, combustion cryotechnique, ergols liquides, atomisation, analyse d’images, analyse multi-échelles
Description
Le développement des moteurs-fusées qui équiperont les futurs lanceurs européens a pour objectif l’augmentation de leur fiabilité et la réduction de leur coût. Pour cela, les industriels et scientifiques s’appuient sur des simulations numériques qui doivent être capables de reproduire avec précision les phénomènes physiques, tels que l’atomisation, l’évaporation, le mélange ou la combustion des ergols, qui régissent le fonctionnement des moteurs. Dans les systèmes d’injection coaxiaux liquide/gaz, l’atomisation primaire est provoquée par l’apparition d’instabilités de surface à l’interface entre le jet liquide et l’écoulement co-courant gazeux à haute vitesse, dues au cisaillement entre les deux écoulements. Ces instabilités de surface provoquent la formation de structures liquides multi-échelles, faisant intervenir des dimensions allant de la largeur du jet (de l’ordre du millimètre) au diamètre des plus petites gouttes (de l’ordre du micromètre).
Les modèles numériques d’atomisation développés à l’ONERA doivent être validés à l’aide des résultats expérimentaux issus des campagnes d’essais réalisées au banc MASCOTTE [2] de l’ONERA et au banc MARACA [3] du CORIA. Les images obtenues, comme celles de la figure 1, à partir de campagnes expérimentales montrent des systèmes complexes dont la description est difficile. Pour pallier cette difficulté, une approche multi-échelles d’analyse d’images a été développée au CORIA [4] et appliquée sur des configurations inertes [5] et dorénavant réactives. L’analyse multi-échelles est capable de quantifier la quantité d’interface dans les images en fonction de l’échelle, ce qui permet d’identifier des échelles caractéristiques du processus d’atomisation primaire et d’en décrire la dynamique. Les distributions d’échelles moyennées dans le temps sont utilisées pour comparer l’atomisation du jet de LOX avec des images obtenues ces différentes résolutions optiques (figure 1).
Figure 1 - Exemples d’images expérimentales obtenues à différentes résolutions optiques
La figure 2 compare la dérivée de la distribution d’échelle e′2(d) moyenné sur trois séries d’images obtenues à résolutions optiques : 4,5 μm/pix, 20 μm/pix et 60 μm/pix. Afin d’avoir la même résolution numérique dans ces images, une interpolation bilinéaire est appliquée sur les images de résolution plus faible, augmentant numériquement leur résolution. Cette interpolation permet également de réduire la zone, dans l’espace des échelles, affectée par des erreurs de mesure liée à la pixellisation des images (zone grise dans la figure 2(b)). Les trois séries d’images correspondent au même point de fonctionnement, à une pression de 10 bar. Cette méthode permet une quantification des échelles de l’atomisation expérimentale mais aussi dans les simulations numériques.
Figure 2a : e′2(d) moyenné sur 100 images pour trois résolutions optiques différentes : 60 μm/pix, 20 μm/pix et 4,5 μm/pix.
Figure 2b : e′2(d) moyenné sur 100 images pour trois résolutions optiques différentes : petites échelles. En gris la zone affectée par des erreurs de pixellisation.
Références
[1] L. Geiger, N. Fdida, L.-H. Dorey, C. Dumouchel, J.-B. Blaisot, L. Vingert, and M. Théron, Multiscale image analysis of primary atomization in cryogenic liquid rocket engines, in ECM 202
[2] N. Fdida, L. Vingert, Y. Mauriot, L.-H. Dorey et M. Théron, Comparison of LOX/Methane and LOX/Hydrogen cryogenic spray combustion with simultaneous optical diagnostics, in EUCASS 2019, pp. 1–10 (2019).
[3] F. Baillot, J.-B. Blaisot, G. Boisdron et C. Dumouchel, Behaviour of an air-assisted jet submitted to a transverse high-frequency acoustic field, Journal of Fluid Mechanics, 640, pp. 305–342 (2009).
[4] C. Dumouchel, J.-B. Blaisot, F. Abuzahra, A. Sou, G. Godard et S. Idlahcen, Analysis of a textural atomization process, Experiments in Fluids, 60 (8), pp. 1–16 (2019).
[5] C. Dumouchel, J.-B. Blaisot, E. Bouche, T. Ménard et T.-T. Vu, Multi-scale analysis of atomizing liquid ligaments, International Journal of Multiphase Flow, 73, pp. 251–263 (2015).