Large Eddy Simulation of supercritical-pressure turbulent combustion

Dans les chambres de combustion des moteurs fusées cryotechniques, la pression excède la pression critique des réactifs. Les interactions moléculaires ne sont plus négligeables et le comportement du fluide n’est plus celui d’un gaz parfait. Le but de cette thèse est de développer un outil de Simulation des Grandes Echelles (SGE) pour étudier la combustion et la dynamique dans des géométries réalistes de moteur fusées. L’utilisation de l’équation d’état de Peng-Robinson, associée à une formulation thermodynamique généralisée, et des coefficients de transports appropriés permettent au code de SGE AVBP du CERFACS de simuler des systèmes réactifs à pression supercritique. Les changements thermodynamiques au sein d’AVBP nécessitent également l’adaptation des conditions limites et des schémas numériques. L’outil est validé sur une configuration mono-espèce à pression supercritique, puis sur un cas représentatif d’un injecteur coaxial de moteur-fusée. Les résultats obtenus sont en bon accord avec l’expérience et offrent des perspectives encourageantes pour des études futures, telles que des configurations multi-injecteurs ou l’analyse des instabilités de combustion haute fréquence.In cryogenic engines combustion chambers, pressure exceeds the propellants critical pressure. Molecular interactions are generally no longer negligible and fluid behavior deviates from that of a perfect gas. The objective of this thesis is to develop a Large-Eddy Simulation (LES) tool to study combustion and dynamics in realistic geometries of rocket engines. The use of the Peng-Robinson equation of state, in conjunction with a generalized treatment of thermodynamics and appropriate transport coefficients, allows the CERFACS’ LES code AVBP to handle reactive systems at supercritical pressure. Change of the thermodynamics in AVBP necessarily leads to an adaptation of boundary conditions treatment and numerical schemes. The tool is validated on a mono-species configuration at supercritical pressure, and a reactive single coaxial injector, representative of a rocket injector. Results are in good agreement with experiments and provide encouraging perspectives for future studies, such as multi-injector configurations and high-frequency combustion instabilities