Multiphysical modelling and simulation of the ignition transient of complete solid rocket motors - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Multiphysical modelling and simulation of the ignition transient of complete solid rocket motors

Modélisation et simulation multiphysiques de l'allumage d'un moteur à propergol solide

Résumé

Solid rocket motors (SRMs) use the combustion of a solid material, the propellant, as an energy source.A crucial step in the operation of such an engine is its ignition, during which the surface of the propellant must be heated by about 400 degrees to initiate combustion.This is usually done by letting a hot jet impact the surface.The ignition of an SRM involves a wide variety of phenomena, including: combined heat transfer between the igniter gases and the propellant, pyrolysis of the propellant below the surface, release of gaseous species that burn in an intense flame attached to the surface, heating of the propellant by radiation emitted from the gas phase, compressible multiphase flow in the combustion chamber, supersonic flow in the nozzle.The multiphysical nature and the disparities in space-time scales make it impossible to simulate ignition using a single tool that would include a complete modelling of all the phenomena. Typically, the propellant flame is so thin that it cannot be reasonably resolved in a CFD mesh for a complete motor. In addition, it involves stiff and potentially complex chemical kinetics.This is why the classical approach is to use a 1D model of the propellant combustion, at each boundary face of the CFD mesh belonging to the propellant surface. Thus, all the physico-chemical and numerical complexity of solving this combustion is encapsulated in a dynamic boundary condition. However, the existing 1D models are very simplified, impacting the fidelity of the reproduction of ignition in some motors.In this thesis, we choose to use a more advanced 1D approach, which includes a numerical resolution of the flame, able to use complex or global kinetics. Specific attention is paid to the mathematical analysis of the 1D model in steady state, through the study of a travelling combustion wave, clarifying the notion of eigenvalue for the regression speed. To simulate unsteady combustion, a semi-discretisation in space is obtained by the method of lines. The differential-algebraic nature of the resulting system of equations is clearly exposed, allowing for the choice of efficient integration methods to solve the propellant dynamics with high order in time and adaptive time step.In order to ensure an accurate reproduction of the ignition of different propellants, an optimisation process is developed to automatically parameterise the model, allowing for a good agreement between experimental and simulated ignition times.The 1D model is then coupled with the semi-industrial 3D CFD code CEDRE from ONERA, in order to allow for the simulation of ignition in complete motors. The coupling is initially operated at order 1, but techniques are suggested to allow for a higher-order and adaptive coupling.In order to verify the effect of the 1D representation of the flame, a more detailed but more expensive coupling is also developed, where the flame is solved in the CFD code itself.The comparison of the two approaches on an academic 2D configuration allows to verify the consistency and accuracy of the new approach.The coupling between the 1D model and the CFD code developed during this thesis and the interdisciplinary approaches used offer new perspectives both for the development of mathematical tools for adaptive coupling strategies for a wide range of applications, allowing to optimise the accuracy and the cost of the computations, as well as for a better reproduction of ignition in various motors.
Les moteurs à propergols solides (MPS) utilisent la combustion d'un matériau solide, le propergol, comme source d'énergie. Une étape cruciale du fonctionnement d'un tel moteur est l'allumage, phase durant laquelle la surface du propergol doit être échauffée d'environ 400 degrés pour initier la combustion.Ceci est généralement opéré en laissant un jet chaud impacter la surface.L'allumage d'un MPS fait intervenir une grande variété de phénomènes, parmi lesquels : transfert de chaleur conjugué entre les gaz d'allumeur et le propergol, pyrolyse du propergol sous la surface, dégagement d'espèces gazeuses qui brûlent en une flamme intense attachée à la surface, échauffement du propergol par le rayonnement émis par la phase gaz, écoulement multiphasique compressible dans la chambre de combustion, écoulement supersonique dans la tuyère. Ce caractère multiphysique et les disparités d'échelles spatio-temporelles associées rendent impossible la simulation de l'allumage à l'aide d'un seul outil qui inclurait une modélisation complète de tous les phénomènes. Typiquement, la flamme du propergol est si fine qu'elle ne peut être raisonnablement résolue dans un maillage CFD pour un moteur complet. De plus, elle fait intervenir des cinétiques chimiques raides et potentiellement complexes. C'est pourquoi l'approche classique est d'utiliser un modèle 1D de la combustion du propergol, en chaque facette limite du domaine CFD correspondant à la surface du propergol. Ainsi, toute la complexité physico-chimique et numérique de la résolution de cette combustion est encapsulée dans une condition aux limites dynamique. Cependant, les modèles 1D existants sont très simplifiés, ce qui impacte la fidélité de la reproduction de l'allumage dans certains moteurs.Nous choisissons dans cette thèse d'utiliser une approche 1D plus évoluée, incluant une résolution numérique de la flamme, capable d’utiliser des cinétiques complexes ou globales. Une attention spécifique est portée à l'analyse mathématique du modèle 1D en stationnaire, à travers l’étude d’une onde progressive de combustion, permettant de clarifier la notion de valeur propre pour la vitesse de régression. Afin de résoudre la combustion en instationnaire, une semi-discrétisation en espace est obtenue par la méthode des lignes. La nature différentielle-algébrique du système d'équations obtenu est clairement exposée, ce qui permet de choisir des méthodes d'intégration performantes pour résoudre la dynamique du propergol avec un ordre élevé en temps et un pas de temps adaptatif.Afin d'assurer une bonne reproduction de l'allumage de différents propergols, un processus d'optimisation est mis en place afin de paramétrer automatiquement le modèle pour reproduire les temps d'allumage observés expérimentalement.Le modèle 1D est ensuite couplé avec le code CFD 3D CEDRE de l’ONERA, afin de permettre la simulation de l'allumage de moteurs complets. Le couplage est initialement opéré à l'ordre 1, mais des techniques sont suggérées pour permettre un ordre élevé et un couplage adaptatif.Afin de vérifier l'effet de la représentation 1D de la flamme, un couplage plus détaillé est aussi développé, où la flamme est résolue dans le code CFD lui-même.La comparaison des 2 approches sur une configuration académique en 2D permet de vérifier la cohérence et la précision de la nouvelle approche.Le couplage entre le modèle 1D et le code CFD développé durant cette thèse et les approches interdisciplinaires utilisées offrent de nouvelles perspectives tant pour le développement d’outils mathématiques pour des stratégies de couplage adaptatives pour une large gamme applications, permettant d’optimiser la précision et le coût des calculs, que pour une meilleure reproduction de l’allumage de différents moteurs.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03670668 , version 1 (17-05-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03670668 , version 1

Citer

Laurent Francois. Multiphysical modelling and simulation of the ignition transient of complete solid rocket motors. Numerical Analysis [cs.NA]. Institut Polytechnique de Paris, 2022. English. ⟨NNT : 2022IPPAX004⟩. ⟨tel-03670668⟩
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