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ETUDE PAR SIMULATION NUMERIQUE DE LA COMBUSTION INSTATIONNAIRE DES PROPERGOLS SOLIDES Shihab RAHMAN 3e année DEFA/PRS Bourse DGA Directeur de thèse: Vincent.

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1 ETUDE PAR SIMULATION NUMERIQUE DE LA COMBUSTION INSTATIONNAIRE DES PROPERGOLS SOLIDES Shihab RAHMAN 3e année DEFA/PRS Bourse DGA Directeur de thèse: Vincent GIOVANGIGLI (Ecole Polytechnique/CMAP) Encadrant ONERA: Yves FABIGNON

2 2 DEFA/PRSJDD2011 Plan Introduction au problème Contexte Objectifs scientifiques démarche Déroulement de la thèse Étude de la combustion stationnaire du PA avec cinétique chimique détaillée en phase gazeuse Création dun nouveau modèle dinterface à chimie complexe Coefficients de sensibilité : application à la théorie instationnaire ZN Mise en place dun modèle de simulation numérique instationnaire complet Conclusions et perspectives Communications, publications et formations suivies

3 3 DEFA/PRSJDD2011 Plan Introduction au problème Contexte Objectifs scientifiques et démarche Déroulement de la thèse Étude de la combustion stationnaire du PA avec cinétique chimique détaillée en phase gazeuse Création dun nouveau modèle dinterface à chimie complexe Coefficients de sensibilité : application à la théorie instationnaire ZN Mise en place dun modèle de simulation numérique instationnaire complet Conclusions et perspectives Communications, publications et formations suivies

4 4 DEFA/PRSJDD2011 Introduction : contexte (1/2) Intro | Comb. stat. | Modele int. | Comb. instat. | Conclusions | Publi/Conf./Formations Le Perchlorate dAmmonium est un ingrédient majeur des propergols solides actuellement utilisés dans les MPS

5 5 DEFA/PRSJDD2011 Introduction : contexte (2/2) Fonction de réponse en pression : Les divers phénomènes dentretien des instabilités de combustion (Culick 2006) Intro | Comb. stat. | Modele int. | Comb. instat. | Conclusions | Publi/Conf./Formations

6 6 DEFA/PRSJDD2011 Introduction : Objectif de la thèse et démarche Avancer dans la compréhension du phénomène de réponse instationnaire en pression du Perchlorate dAmmonium à laide de la simulation numérique Intro | Comb. stat. | Modele int. | Comb. instat. | Conclusions | Publi/Conf./Formations Amélioration du modèle de combustion stationnaire du PA Calcul de coefficients de sensiblité stationnaires Utilisation de la théorie ZN Cartes de stabilitéRp Etude numérique instationnaire Rp Implantation dune condition limite instationnaire en débit dans CEDRE DEMARCHE

7 7 DEFA/PRSJDD2011 Plan Introduction au problème Contexte Objectifs scientifiques et démarche Déroulement de la thèse Étude de la combustion stationnaire du PA avec cinétique chimique détaillée en phase gazeuse Création dun nouveau modèle dinterface à chimie complexe Coefficients de sensibilité : application à la théorie instationnaire ZN Mise en place dun modèle de simulation numérique instationnaire complet Conclusions et perspectives Communications, publications et formations suivies

8 8 DEFA/PRSJDD2011 Combustion stationnaire : modélisation Modélisation du problème : Modèle monodimensionnel : solide inerte, interface infiniment mince, gaz réactif Chimie complexe en phase gazeuse : 37 espèces, 215 réactions Intro | Comb. stat. | Modele int. | Comb. instat. | Conclusions | Publi/Conf./Formations

9 9 DEFA/PRSJDD2011 Combustion stationnaire : schéma réactionnel Intro | Comb. stat. | Modele int. | Comb. instat. | Conclusions | Publi/Conf./Formations

10 10 DEFA/PRSJDD2011 Combustion stationnaire : codes de calcul Codes de calcul : Simulation 1D sur maillage adaptatif, utilisant une méthode de Newton, ordre 2 en espace Résolution totalement implicite de lensemble des équations du problème: en phase condensée, conservation masse et énergie ; en phase gazeuse, conservation masse, énergie, espèces chimiques, et chimie complexe (37 espèces, 215 réactions) ; modèle dinterface infiniment mince : réaction de sublimation et réactions en phase liquide Appel à des librairies hautement optimisées décriture automatique des grandeurs thermochimiques et thermophysiques (Chemkin II) et des coefficients de transport mulit-espèces (EGlib) 2 codes indépendants à notre disposition : solveur (calcule une solution donnée) et code de continuation (calcule une famille de solutions donc permet deffectuer des études paramétriques) Intro | Comb. stat. | Modele int. | Comb. instat. | Conclusions | Publi/Conf./Formations

11 11 DEFA/PRSJDD2011 Combustion stationnaire : enrichissement du modèle Enrichissement du modèle stationnaire : Coefficients thermo-physiques non constants en phase solide : prise en compte de la transition de phase cristalline à K Implémentation dun loi de pyrolyse classique en surface : Température de surface variable Intro | Comb. stat. | Modele int. | Comb. instat. | Conclusions | Publi/Conf./Formations

12 12 DEFA/PRSJDD2011 Combustion stationnaire : calcul de coefficients de sensibilité surévalué … Intro | Comb. stat. | Modele int. | Comb. instat. | Conclusions | Publi/Conf./Formations

13 13 DEFA/PRSJDD2011 Nouveau modèle dinterface à chimie complexe Ancien modèle à 2 réactions : Nouveau modèle à chimie complexe dinterface : Intro | Comb. stat. | Modele int. | Comb. instat. | Conclusions | Publi/Conf./Formations

14 14 DEFA/PRSJDD2011 Application à une cinétique chimique de la littérature (Jing et al.) Nouveau modèle dinterface : application JING et ALOPTIMISATION (débit, Ts, Es) Intro | Comb. stat. | Modele int. | Comb. instat. | Conclusions | Publi/Conf./Formations

15 15 DEFA/PRSJDD2011 La température du 1er étage de flamme dépend de la chimie dinterface Nouveau modèle dinterface : calcul du profil de température en phase gazeuse Intro | Comb. stat. | Modele int. | Comb. instat. | Conclusions | Publi/Conf./Formations

16 16 DEFA/PRSJDD2011 Application à la théorie Zeldovich-Novozhilov (ZN) Hypothèses : QSHOD 1.Phase gazeuse quasi-stationnaire 2.Propergol homogène 3.Combustion mono-dimensionnelle Théorie résultant de la linéarisation de léquation de la chaleur en phase solide, donc valide pour de petites perturbations Théorie remplaçant la modélisation détaillée de la phase gazeuse par lintroduction de coefficients de sensiblité (, r,, and k) Daprès la théorie Z-N : 1.Combustion intrinsèquement stable lorsque ou et 2.Réponse en pression : : Solution de léquation caract. associée à la linéarisation de léquation de la chaleur en phase solide Intro | Comb. stat. | Modele int. | Comb. instat. | Conclusions | Publi/Conf./Formations

17 17 DEFA/PRSJDD2011 Théorie ZN : carte de stabilité intrinsèque du PA Ancien modèle dinterface : Es=12.3 kcal/mol Nouveau modèle dinterface : Es=16 kcal/mol Intro | Comb. stat. | Modele int. | Comb. instat. | Conclusions | Publi/Conf./Formations

18 18 DEFA/PRSJDD2011 Rp (ZN) calculée à partir de lancien modèle dinterface (34 atm) Rp (ZN) calculée à partir du nouveau modèle dinterface(34 atm) Théorie ZN : réponse en pression du PA Intro | Comb. stat. | Modele int. | Comb. instat. | Conclusions | Publi/Conf./Formations

19 19 DEFA/PRSJDD2011 Modèle instationnaire complet : cadre théorique En phase solide : Solide déformable Hypothèse des petites perturbations (HPP) : Loi de comportement du solide en thermo-élasticité linéarisée : Pas de couplage thermo-mécanique : En phase gazeuse : relaxation de lhypothèse des faibles nombres de Mach A linterface : Intégration des équations sur un volume de contrôle infiniment petit, centré sur linterface Equations écrites dans le référentiel du labo Intro | Comb. stat. | Modele int. | Comb. instat. | Conclusions | Publi/Conf./Formations

20 20 DEFA/PRSJDD2011 Modèle instationnaire complet : conditions limites instationnaires Dans le solide : Dans le gaz : On « efface » londe entrante dans le solide : On impose londe entrante dans le gaz : Intro | Comb. stat. | Modele int. | Comb. instat. | Conclusions | Publi/Conf./Formations Méthode « NSCBC » (Navier-Stokes Characteristic Boundary Conditions – Poinsot et Lele 93)

21 21 DEFA/PRSJDD2011 Plan Introduction au problème Contexte Objectifs scientifiques et démarche Déroulement de la thèse Étude de la combustion stationnaire du PA avec cinétique chimique détaillée en phase gazeuse Création dun nouveau modèle dinterface à chimie complexe Coefficients de sensibilité : application à la théorie instationnaire ZN Mise en place dun modèle de simulation numérique instationnaire complet Conclusions et perspectives Communications, publications et formations suivies

22 22 DEFA/PRSJDD2011 Conclusions et perspectives Travail effectué : Amélioration du modèle stationnaire par lintégration de coefficients thermophysiques non constants en phase solide et dune loi de pyrolyse Création dun nouveau modèle dinterface capable de prendre en compte une chimie complexe quelconque Tracé des cartes de stabilité et de la fonction de réponse linéaire Rp au sens de la théorie ZN (soumis à publication) Modélisation instationnaire complète du couplage combustion- acoustique A venir : Validation numérique du modèle instationnaire (en cours) Calcul numérique de la fonction de réponse Rp Implantation dans CEDRE dune condition limite instationnaire en débit Intro | Comb. stat. | Modele int. | Comb. instat. | Conclusions | Publi/Conf./Formations

23 23 DEFA/PRSJDD2011 Plan Introduction au problème Contexte Objectifs scientifiques et démarche Déroulement de la thèse Étude de la combustion stationnaire du PA avec cinétique chimique détaillée en phase gazeuse Création dun nouveau modèle dinterface à chimie complexe Coefficients de sensibilité : application à la théorie instationnaire ZN Mise en place dun modèle de simulation numérique instationnaire complet Conclusions et perspectives Communications, publications et formations suivies

24 24 DEFA/PRSJDD2011 Communications, publications et formations suivies Conférences 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference (Juillet 2010, Nashville, TN); 13th International Conference on Numerical Combustion (Avril 2011, Corfu – Grèce); Publications "Application of Continuation Techniques to Sensitivity Coefficient Calculations in Ammonium Perchlorate flames" soumise au Journal of Propulsion and Power ; "Numerical Simulation of Unsteady Ammonium Perchlorate Planar Flames with Complex Interface Chemical Kinetics " à venir ; Formations La combustion et sa modélisation Collège de polytechnique-2009; Doctoriales X/DGA/Paritech2009; Combustion avancée Ecole Centrale Paris-2010; Avenir et Projet Professionnel UPMC-2010; Rédaction dun mémoire de thèse ONERA-2010; Intro | Comb. stat. | Modele int. | Comb. instat. | Conclusions | Publi/Conf./Formations

25 Merci de votre attention

26 26 DEFA/PRSJDD2011 Sensibilité de m à To : ancien modèle dinterface Sensibilité de m à To : nouveau modèle dinterface Nouveau modèle dinterface : Coefficient de sensibilité

27 DEFA/PRSJDD Modèle instationnaire complet : équations de la phase solide

28 DEFA/PRSJDD Modèle instationnaire complet : équations de la phase gazeuse Relaxation de lhypothèse des faibles nombres de Mach Ecriture des équations dans le référentiel du laboratoire

29 29 DEFA/PRSJDD2011 Modèle instationnaire complet : démarche dobtention des relations de saut à linterface mobile Idée : intégrer les équations de conservation sur un volume de contrôle centré sur linterface mobile ; utiliser la relation faire tendre le volume de contrôle vers 0 pour obtenir des relations de saut à linterface

30 DEFA/PRSJDD Modèle instationnaire complet : relations de saut à linterface mobile masse : Quantité de mouvement : Energie : Espèce : Pyrolyse :


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