Mécanismes d'instabilités de combustion haute-fréquence et application aux moteurs-fusées

This thesis presents a study of high frequency instabilities in rocket engines. This issue, which has plagued many engine development programs, is approached by three complementary viewpoints: experimental, theoretical, and numerical. First, experiments are carried out to identify the main processes involved and bring forth mechanisms taking place when an engine becomes unstable. To achieve this stage, a new modulator (the VHAM), capable of creating acoustic waves representative of what occurs in an actual engine, is designed and characterized. The second part of this thesis concern theoretical analysis. Two models are developed following the main conclusions of the experimental campaign: heat release oscillations are due to the transverse flames’ motion, and the phenomenon is triggered when droplets become small enough to be convected by the acoustic field. Using these models as a baseline, a numerical code (STAHF) is presented. Its purpose is to account for mechanisms identified previously for little computational cost. This code is validated on particularly responding situations observed during experiments. It is then shown that it can be used to study real scale rocket engines. The third point of view adopted to address the problem is numerical simulation. Full compressible LES is chosen to study the interaction between acoustics and combustion. A new combustion model for non-premixed flames with infinitely fast chemistry is presented and validated on a well documented flame (H3). It is then used to study the interaction between a transverse acoustic wave and the H3 flame. A comparison between the Rayleigh source term computed from the simulation and the one predicted by the theoretical model FAME is conducted eventually.Cette thèse présente une étude des instabilités haute-fréquence dans les moteurs-fusées. Ce phénomène, qui a posé de nombreux problèmes dans les programmes de développement de moteur, est abordé de trois façons complémentaires : expérimentalement, théoriquement et numériquement. Premièrement, des expériences sont menées afin d’identifier les principaux processus et d’apporter les mécanismes ayant lieu lorsque le moteur devient instable. Pour parvenir à ce stade, un nouveau modulateur (VHAM), capable de créer des ondes acoustiques représentatives de ce qui se produit dans un moteur réel, est conçu et caractérisé. La deuxième partie concerne l’analyse théorique. Deux modèles (FAME, SDM) sont développés en suivant les principales conclusions de la campagne expérimentale : les oscillations de dégagement de chaleur sont dues au mouvement transverse des flammes, et le phénomène est déclenché lorsque des gouttelettes deviennent suffisamment petites pour être convectées par le champ acoustique. En utilisant ces modèles comme base de référence, un code numérique (STAHF) est présenté. Son but est de rendre compte des mécanismes déjà identifiés pour un coût de calcul faible. Il est ensuite montré qu’il peut être utilisé pour étudier des moteurs-fusées grandeur nature. La LES compressible est choisie pour étudier l’interaction entre l’acoustique et la combustion numériquement. Un nouveau modèle de combustion pour flammes non-prémélangées basé sur une hypothèse de chimie infiniment rapide est présenté et validé sur une flamme bien documentée (H3). Il est ensuite utilisé pour étudier l’interaction entre une onde acoustique transverse et la flamme H3. Une comparaison entre le terme source de Rayleigh calculé à partir de la simulation et celui prédit par le modèle théorique FAME est finalement menée