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Thèse présentée à

INSA de Rouen

Discipline : Energétique
Spécialité : Mécanique des Fluides

Par

David TAÏEB

Soutenue le 7 décembre 2010

Simulation numérique des écoulements turbulents dans les canaux de refroidissement. Application aux moteurs-fusées
Jury

Rapporteurs
Françoise Bataille, Professeur, PROMES – Université de Perpignan
Bénédicte Cuenot, Chercheur Sénior, CERFACS - Toulouse

Examinateurs
Marc Buffat, Professeur, Université Claude Bernard Lyon 1
Julien Reveillon, Professeur, Université de Rouen
Guillaume Ribert, Maître de conférences, INSA de Rouen (co-encadrant)
Sandrine Parlerm, Ingénieur, CNES - Evry
Didier Saucereau, Ingénieur, Snecma division moteurs spatiaux -Vernon

directeur de thèse
Abdellah Hadjadj, Professeur, INSA de Rouen

Résumé
Cette thèse traite par simulation numérique les écoulements turbulents compressibles avec transferts de chaleur, en relation avec les applications moteurs-fusées. Elle concerne, plus particulièrement, les systèmes de refroidissement des chambres de combustion. Le fluide refroidissant circule dans un état supercritique (haute pression et basse température) dans des canaux millimétriques, entourant la chambre de combustion. Ces problèmes font appel à une physique assez complexe et mettent en jeu un couplage fort entre les aspects compressibles et les transferts thermiques, en plus des phénomènes liés à la thermodynamique supercritique.
D’un point de vue numérique, deux solveurs spécifiques ont été utilisés dans le cadre de cette thèse. Il s’agit, d’une part, du code CHOC-WAVES développé au CORIA pour la partie compressible et onde de choc et, d’autre part, le code PPMBFS développé à l’Université de Pennsylvanie (USA) pour les applications supercritiques et avec une thermodynamique variable. Sur le plan de la modélisation physique, l’approche LES a été utilisée, en appui des simulations DNS. Dans ce contexte, un modèle de sous-maille thermique, pour la prise en compte du Prandtl turbulent variable, a été intégré et validé.
Les résultats obtenus, dans le cadre des LES et DNS d’un canal supersonique refroidi, ont permis de mieux analyser les corrélations aérothermiques ainsi que les structures cohérentes présentes au sein de cet écoulement. En particulier, il a été montré les limites de l’hypothèse de l’Analogie Forte de Reynolds (SRA) dans le cas d’écoulements fortement anisothermes, et le rôle joué par les structures tourbillonnaires dans l’accentuation des transferts pariétaux.
La problématique des gaz réels a été ensuite examinée dans le cadre d’un canal industriel (en l’occurence EH3C). Cette étude a permis de mettre en évidence les difficultés (à la fois numérique et physique) liées à ce type d’écoulement. Les différentes investigations ont permis de fournir des informations utiles, notamment en ce qui concerne la phénoménologie des structures cohérentes et les différentes corrélations aérothermodynamiques.

Abstract
This research deals with the numerical simulation of compressible turbulent flows with heat transfers, applied to rocket engines. It relates more particularly the cooling of combustion chambers, in which a fluid flows in a supercritical state (high pressure and low temperature) inside millimeter channels. These problems involve complex physical phenomena and coupling between compressible aspects and heat transfer phenomena as well as supercritical thermodynamics.
From a numerical point of view, two specific solvers have been used in the context of this thesis. The first code (CHOC-WAVES) has been developed in the CORIA lab for compressible flows and shock waves. The second one (PPMBFS) has been developed at the Pennsylvania University for applications with supercritical thermodynamics variables. In terms of physical modeling, the LES approach has been widely used in support of DNS. In this context, a thermal subgrid model using a variable turbulent Prandtl number, has been integrated and validated.A supersonic cooled channel has been simulated using both LES and DNS techniques and its results have been carefully analysed through the aerothermics correlations and coherent structures. In particular, it has been shown that the Strong Reynolds Analogy hypothesis (SRA), in the case of a strongly anisothermal flow is not valid anymore. The wall heat flux had an impact on the coherent structures.
The issue of real gases was then examined through the industrial channel flow simulation (EH3C). This study has highlighted the difficulties (both numerical and physical) associated with this type of flow. The various investigations have provided useful information, especially regarding the phenomenology of coherent structures and various aerothermodynamics correlations.

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