Développement d'un modèle de transfert radiatif 3D adapté au calcul de la signature d'un jet de moteur-fusée dans l'ultraviolet
Résumé
The aim of this Thesis is to model the "Solar Blind" ultraviolet radiation emitted by a rocket plume loaded with an aluminized composite solid fuel. The ultraviolet radiation comes from chemiluminescence emission of gaseous species and from absorption and scattering of alumina particles. In order to take into account scattering, which causes coupling between radiation propagation directions, a 3D radiative transfer model is used: the Spherical Harmonics Discrete Ordinate Method (SHDOM). Spherical Harmonics allow a faster computation of scattering integral than in a classical discrete ordinate method, while radiative transfer equation is integrated along discrete ordinates. SHDOM model, initially developed for clouds, is adapted to rocket plume characteristics such as composition and geometry. Chemiluminescence emission, which mainly comes from CO + O radiative recombination, is evaluated using experimental data from literature. Particles optical properties are evaluated by taking into account their sizes and complex refractive index. These data are estimated from literature results. Test cases are performed in cylindrical media close to rocket plumes in order to show the influence of particles extinction and scattering on the signature. Finally, comparisons are carried out between calculated and measured signatures.
Cette Thèse est consacrée à la modélisation de la signature dans l'ultraviolet "Solar Blind" d'un jet de propulseur à chargement solide composite aluminisé. Le rayonnement ultraviolet émis par ce type de jet provient de l'émission de chimiluminescence des espèces gazeuses et de l'absorption et de la diffusion des particules d'alumine. Afin de prendre en compte la diffusion qui est à l'origine d'un couplage entre les directions de propagation du rayonnement, un modèle de transfert radiatif 3D adapté aux problèmes atmosphériques, est étendu aux jets : la méthode des ordonnées discrètes et des harmoniques sphériques (SHDOM). Les harmoniques sphériques permettent de réduire le temps de calcul de l'intégrale de diffusion par rapport à une méthode des ordonnées discrètes classique, tandis que l'équation de transfert radiatif est intégrée le long des ordonnées discrètes. Le modèle SHDOM, développé à l'origine pour les milieux 3D nuageux, est adapté de façon à prendre en compte les spécificités des jets de moteurs-fusées (composition et géométrie) dans l'ultraviolet. L'émission de chimiluminescence des gaz, attribuée à la recombinaison radiative de CO et de O, est évaluée à partir de mesures issues de la littérature. Par ailleurs, les propriétés optiques des particules sont étudiées en fonction de leur granulométrie et de leur indice complexe de réfraction. Une synthèse bibliographique permet d'estimer la valeur de ces paramètres. Afin de mettre en évidence l'influence des particules sur la signature des jets, des cas tests sont effectués dans des milieux cylindriques représentatifs des jets. Enfin, des comparaisons entre des calculs et des mesures de signatures sont réalisées.
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