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Résumé: 

La combustion dans les moteurs de fusée a lieu dans des conditions extrêmes qui impliquent plusieurs phénomènes multi-physiques. Pour cette raison la simulation numérique est utilisée afin de prédire et ainsi optimiser les performances et la durée de vie du moteur. Ces travaux de thèse se concentrent particulièrement sur deux aspects : l'oxy-combustion turbulente du méthane dans des flammes de diffusion haute pression et la prédiction des transferts thermiques pariétaux. Le code de Simulation aux Grandes Échelles (SGE) AVBP du CERFACS est utilisé.

Malgré ses performances moindres, le méthane est aujourd'hui favorisé par rapport à l'hydrogène pour les futurs moteurs-fusées en raison de ses coûts réduits et de sa praticité tant à l'utilisation que pour son stockage. En termes de simulation numériques, cet ergol amène de nouvelles questions concernant son allumage ou la stabilisation de sa combustion. Pour ce faire, le développement de modèles chimiques réalistes est une étape clé. Des schémas cinétiques réduits contenant une quinzaine d'espèces sont dérivés et testés dans des conditions de haute pression et haut étirement pour des flammes de diffusion à contre-courant. Cependant, ces chimies réduites restent coûteuses pour une utilisation industrielle de la SGE. Une nouvelle méthode d'intégration des termes sources chimiques est alors proposée avec pour objectif de faire fonctionner des simulations réactives avec un pas de temps proche du pas de temps de l'écoulement. Le coût de calcul est ainsi considérablement réduit, tout en gardant un résultat similaire à l'intégration classique. Enfin, avec pour futur objectif le développement d'un modèle de flamme de diffusion turbulente, une étude montrant l'impact de la résolution du maillage sur les flammes de diffusion est réalisée.

Le développement de ces chimies réduites permet alors d'étudier avec précision l'influence des réactions chimiques dans la région proche paroi d'un moteur-fusée sur le flux thermique pariétal.

Des canaux turbulents périodiques sont simulés afin de comparer une couche limite turbulente résolue ou non, avec ou sans réactions chimiques. Les résultats montrent que ces réactions proche paroi peuvent avoir un impact significatif sur le flux thermique, et que le modèle de loi de paroi devrait prendre en compte cet effet dans le cadre d'une SGE non-résolue en paroi.

De plus une étude est menée afin de comprendre l'impact du couplage entre le modèle de sous-maille et la loi de paroi sur la prédiction des flux en paroi. On montre que le niveau de viscosité turbulente en paroi a une influence importante sur les flux. Un modèle stochastique est alors proposé dans le cas de simulations isothermes afin d'améliorer les résultats pour deux modèles de sous-maille usuels en SGE, WALE et Sigma.

Le développement de ces modèles et les résultats de ces analyses sont alors utilisés pour deux

SGE de bancs d'essai : le cas supercritique à cinq injecteurs GCH4/GOx de l'ONERA et le cas sous-critique mono-injecteur GCH4/LOx de TUM. Ces études se concentrent en particulier sur le comportement de la flamme et la comparaison du flux de chaleur pariétal avec les résultats expérimentaux.

Jury:

Fabien HALTER	Professeur – ICARE, Université d'Orléans	Rapporteur
Pierre BOIVIN	Chargé de recherche – M2P2, Université de Marseille	Rapporteur
Michael PFITZNER	Professeur – Institut für Thermodynamik, Universität der Bundeswehr München	Examinateur
Franck NICOUD	Professeur – IMAG, Université de Montpellier	Examinateur
Thomas SCHMITT	Chargé de Recherche – EM2C, Université de Paris-Saclay	Examinateur
Philippe GRENARD	Chargé de Recherche – ONERA	Membre invité
Miguel MARTIN-BENITO	Ingénieur – CNES	Membre invité
Didier SAUCEREAU	Ingénieur – ArianeGroup	Membre invité
Bénédicte CUENOT	Chercheur Senior – CERFACS	Directrice de thèse