Large eddy simulation of the ignition of cryogenic rocket engine

Simulation aux Grandes Echelles de l'allumage de moteurs fusées cryotechniques

Guilhem Lacaze (1)

1 CERFACS - Centre Européen de Recherche et de Formation Avancée en Calcul Scientifique

The ignition of a cryogenic rocket engine (liquid propellants) is a critical phase. The slightest anomaly in the ignition sequence can lead to the destruction of the entire launcher. The objective of this research work is to set a methodology based on the Large Eddy Simulation (LES) approach, to study the different physical phenomena involved in such ignition transient. The LES method can capture the unsteady processes such as turbulence, two-phase flow physics and chemical kinetics. The numerical tool is first validated in academic and experimental cases, and then applied to a real rocket engine. A gradual approach is employed : the complexity is increased between each validation case, so as to identify the main physical processes. This research work shows that the LES approach, in the context of massively parallel computing, can be used to study the whole ignition sequence of a real cryogenic rocket engine.

L'allumage d'un moteur fusée cryotechnique (carburants liquides) est une phase critique. La moindre anomalie dans la procédure d'allumage peut conduire à la destruction du lanceur. L'objectif de cette thèse est de développer une méthodologie s'appuyant sur la simulation aux grandes échelles (LES) pour étudier les phénomènes physiques impliqués dans un tel allumage. L'intérêt de la méthode LES est de pouvoir capturer les couplages instationnaires entre la turbulence, les processus diphasiques et la cinétique chimique. L'outil numérique est tout d'abord validé sur des cas académiques et expérimentaux, puis appliqué à un moteur fusée réel. Une approche graduelle est employée : les différents cas de validation présentent une complexité croissante, permettant d'isoler les processus physiques principaux. Ce travail de recherche montre que l'approche de la simulation aux grandes échelles, dans un contexte de calcul massivement parallèle, peut être utilisée pour étudier la séquence complète d'allumage dans un moteur fusée réel.

Mots clés: Combustion; Turbulence; Two-phase flows; Ignition; Large eddy simulation

Mots clés: Combustion; Turbulence; Ecoulements diphasiques; Allumage; Simulation aux grandes échelles

Domaines: Mécanique [physics.med-ph]

Guilhem Lacaze. Simulation aux Grandes Echelles de l'allumage de moteurs fusées cryotechniques. Mécanique [physics.med-ph]. Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT, 2009. Français. ⟨NNT : 2009INPT009H⟩. ⟨tel-00429666v2⟩