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LES des moteurs à détonation rotative : Sensibilité et physique

Afin d'accroître l'efficacité des moteurs thermiques, de nouveaux systèmes de combustion à gain de pression ont fait l'objet d'études approfondies au cours des dernières années. Les moteurs à détonation rotative (RDE) constituent un exemple de ces systèmes, où une détonation auto-entretenue consomme continuellement du carburant dans une chambre de combustion typiquement annulaire. L'étude expérimentale de ces moteurs est extrêmement difficile, c'est pourquoi des méthodes numériques sont utilisées pour explorer d'avantage les processus régissant ces types de moteurs. Les simulations de grandes turbulences (LES) constituent un outil puissant pour analyser l'écoulement dans les moteurs à détonation rotatifs, mais la littérature a montré que leur mise en œuvre n'est pas simple. Différents groupes utilisent des simplifications (par exemple, prémélange parfait, représentations géométriques en 2D de la chambre) et l'analyse numérique de haute fidélité comparant les hypothèses de mélange, les schémas numériques ou les schémas chimiques dans des configurations à échelle réelle n'est pas couramment trouvée dans la littérature. Cette thèse étudie les stratégies de LES 3D d'un RDE complet testé à l'Université technique de Berlin et l'influence de divers paramètres de modélisation sur les résultats de la simulation. Pour ce faire, un schéma chimique fiable en une étape est d'abord élaboré pour la prédiction correcte des propriétés de détonation et de déflagration. Ensuite, une procédure d'initialisation fiable est développée et deux indices de post-traitement pour évaluer la qualité du mélange (Imix) et l'efficacité de la détonation (Idet) sont introduits pour quantifier davantage les résultats des simulations.

Les résultats confirment que le mélange joue un rôle important dans la performance des RDE et qu'il doit être reproduit avec précision dans les LES afin de capturer les caractéristiques essentielles des RDE. Le manuscrit met également en évidence l'impact que les schémas chimiques et numériques peuvent avoir sur la dynamique de détonation à l'intérieur des RDE. Enfin, les simulations montrent l'importance de la déflagration dans l'ensemble de la chambre de combustion RDE, ce qui implique que les modèles chimiques doivent tenir compte des propriétés de déflagration ainsi que de la détonation pour capturer l'efficacité des RDE et révèlent que tous les cas perdent une grande quantité de carburant dans la combustion non-détonante.

Sur la base de l'étude de sensibilité, une configuration numérique principale est conçue et des simulations sont effectuées. Les résultats sont validés en comparant la vitesse expérimentale de l'onde de détonation et le gain de pression estimé. La LES surestime la vitesse de l'onde de détonation expérimentale de 21%. La LES confirme également l'absence de gain de pression dans la configuration TUB.

Cette thèse montre que la LES peut être utilisée pour comprendre la dynamique et les mécanismes de stabilisation ainsi que la performance globale des systèmes RDE. Cependant, elle met également en évidence les limites actuelles de la méthode et les nombreux domaines sur lesquels la communauté LES doit se concentrer pour la LES prédictive des RDE.

Jury

Prof. Dr. Antonio Andreini	Università degli Studi di Firenze	Président du Jury
Prof. Dr. Marc Bellenoue	ISAE-ENSMA – Institute Pprime	Membre du Jury
Prof. Dr. Myles D. Bohon	Technische Universität Berlin	Membre du Jury
Dr. Ratiba Zitoun	ISAE-ENSMA – Institute Pprime	Membre du Jury
Prof. Dr. Thierry Poinsot	IMF Toulouse	Directeur
Dr. Omar Dounia	CERFACS	Co-Directeur