Etude des modes de rotation continue d'une détonation dans une chambre annulaire de section constante ou croissante

Résumé : Notre étude vise à améliorer la compréhension des modes de rotation continue d’une détonation. Elle porte sur leur caractérisation dans une chambre annulaire de section,normale à son axe de révolution, constante ou linéairement croissante. Le principe de fonctionnement repose sur l’injection continue de gaz frais devant le front de détonation pour renouveler la couche réactive et entretenir sa propagation. Ce travail trouve son application dans le développement de systèmes propulsifs utilisant la détonation rotative comme mode de combustion (Rotating Detonation Engine, RDE). Nous avons conçu et réalisé un banc expérimental dont l’élément principal est une chambre annulaire de diamètre intérieur 50 mm, de longueur 90 mm et d’épaisseur 5 ou 10 mm. Elle peut être équipée de noyaux cylindrique ou conique, de longueurs comprises entre 12 mm et 90mm et, pour les cônes, de demi-angles au sommet compris entre 0± et 14.6±. Elle est alimentée par des injections séparées de carburant, l’éthylène, et d’oxydant, formé ici par un mélange d’oxygène et d’azote. Plusieurs concentrations d’azote ont été considérées de manière à étudier plusieurs détonabilités de mélange. La caractérisation des régimes de détonation, de leurs célérités et de leurs pressions, est fondée sur l’analyse de signaux de capteurs de pression dynamiques et sur des visualisations par caméras ultrarapides. Nos résultats expérimentaux détaillent la phase d’amorçage, les modes de combustion et leur stabilité. L’étude paramétrique, réalisée pour plusieurs détonabilités, débits massiques et géométries internes de la chambre, met en évidence que, si les deux premiers paramètres n’ont pas d’effet notable sur les célérités et les pressions des modes de détonation,la géométrie interne de la chambre joue, elle, un rôle majeur dans l’amélioration de ces caractéristiques, en particulier la diminution de la longueur du noyau et l’augmentation de sa conicité (de son demi-angle au sommet). Nous avons réalisé une étude numérique afin d’expliquer les déficits mesurés de célérité et de pression. Elle met en avant la dégradation des propriétés théoriques de détonation résultant de la dilution et du réchauffement des réactifs par les produits de détonation. Nous proposons également un calcul du rendement thermodynamique qui, à la différence de modélisations antérieures, prend en compte la structure d’une détonation rotative. Nous décrivons aussi un calcul de hauteur de front de détonation pour les modes et géométries de chambre considérés dans cette thèse. Notre étude démontre ainsi l’intérêt de futures recherches sur la géométrie interne des chambres annulaires à détonation rotative et sur la prise en compte des phénomènes à l’origine des pertes d’efficacité.
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Thèse
Autre. ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechique - Poitiers, 2018. Français. 〈NNT : 2018ESMA0002〉
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Soumis le : mercredi 11 juillet 2018 - 09:59:06
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Sylvain Hansmetzger. Etude des modes de rotation continue d'une détonation dans une chambre annulaire de section constante ou croissante. Autre. ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechique - Poitiers, 2018. Français. 〈NNT : 2018ESMA0002〉. 〈tel-01834965〉

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