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Thèse présentée à

Normandie Université - Rouen

Spécialité Energétique

Par

Antonio FICUCIELLO

Soutenue le 8 juin 2017

Analysis of high frequency/high amplitude acoustic field effects on coaxial injection : application to liquid rocket engines
Jury

Rapporteurs
M. Sébastien CANDEL, Professeur Emérite, EM2C, CentraleSupélec, Châtenay-Malabry
M. Laurent GICQUEL, Ingénieur de Recherche, Docteur-HDR, CERFACS, Toulouse

Examinateurs
M. Michael OSCHWALD Professeur, Head of Rocket Propulsion Department, DLR, Germany
M. Julien REVEILLON, Professeur, CORIA, Université de Rouen Normandie
M. Luc-Henry DOREY Ingénieur de Recherche, Docteur, ONERA, Châtillon
Mme Marie THERON Ingénieur R&D, Docteur, DLA/SDT/EPM, CNES, Paris

Directrice de thèse
Mme Françoise BAILLOT Professeure, CORIA, Université de Rouen Normandie

Codirecteur de thèse
M. Jean-Bernard BLAISOT Maître de Conférences-HDR, CORIA, Université de Rouen Normandie

The context of this work relies to high frequency combustion instabilities in Liquid Rocket Engines (LRE). The present research focuses on the effects of high amplitude transverse acoustic fields on non-reactive coaxial injection. The acoustic response of injection domes is found to be dependent on the local properties of the acoustic field in the injection cavity. The modification of the atomization process, induced by the acoustic field, has been analyzed in single and multi-injection configurations. Experiments were performed from low to high Weber number atomization regimes. Three phenomena are observed : jet flattening, improvement of the atomization process and deviation. The combination of these phenomena in multi-injection configurations leads to a droplet clustering phenomenon. In the presence of combustion, such a clustering could lead to non-uniform heat release rate which can trigger or sustain combustion instabilities. A theoretical model based on non-linear acoustics has been developed, providing general expressions of radiation pressure and resulting radiation force, for spherical and cylindrical objects in standing and progressive wave field. The model has been successfully used to interpret and quantify experimental observations in liquid/gas, trans-critical/super-critical and gas/gas configurations and showed that the Helmholtz number a characterizing the acoustic field and the density ratio h characterizing the two media are two parameters of importance. The major conclusions are that the observed phenomena can be interpreted as resulting from non-linear acoustics, the key feature being the density ratio. It is claimed that the layer separating the two media, seen as an interface, does not need to be restricted only to a liquid/gas interface.
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