Numerical Study of Detonation Confined by an Inert Gas

Cette Thèse de Doctorat est dédiée à la simulation numérique des détonations, et plus particulièrement aux détonations confinées par un gaz inerte. Cette configuration correspond en partie à l’écoulement rencontré au sein des moteurs à détonations rotatives, dans lesquels le combustible est confiné par les gaz brûlés issus du cycle précédent. Le code de calcul employé s’appuie sur des schémas numériques d’ordre élevé adaptés à la capture des discontinuités (interpolation MP d’ordre 9, solveur HLLC et intégration temporelle d’ordre3). Une attention particulière a été portée à la caractérisation de l’écoulement au travers de son évolution moyenne dans le repère de la détonation. Les simulations ont été réalisées pour différentes valeurs de l’énergie d’activation, qui traduit la sensibilité du milieu réactif,pour des couches réactives de dimensions variées et enfin pour des confinements inertes à différentes températures. La base de données résultante démontre l’existence de deux comportements distincts suivant l’énergie d’activation du milieu réactif. Le déficit de la célérité de la détonation peut être globalement appréhendé comme fonction du ratio de l’épaisseur hydrodynamique par le rayon de courbure sur l’axe. Enfin, la présence d’une couche inerte à haute température modifie de façon importante la topologie de la détonation et en étend les limites de propagation.This dissertation is devoted to the numerical study of detonation waves, and more specifically to the dynamics of detonations bounded by an inert gaseous layer. This configuration is similar to the flow field within the rotating detonation engines, in which the fuel is confined by the burned gases produced during the previous combustion cycle. The computational solver is based on high-order schemes designed for capturing discontinuities (9thorder MP interpolation, HLLC solver and 3rd order temporal integration). The detonation was investigated by calculating the averaged profile in the shock frame of reference. The simulations were performed for various values of the activation energy, which control the mixture sensitivity, for different heights of the reactive layer and for different temperature of the inert medium. The resulting database shows that according to the activation energy, two different behaviors can be observed. The presence of a high-temperature inert layer strongly affects the detonation structure and extends the propagation limits. The detonation deficit can be globally expressed as a function of the ratio of the hydrodynamic thickness to the radius of curvature on the axis