Modélisation des instabilités hydrodynamiques dans les moteurs-fusées hybrides

Hybrid rocket motors combine solid and bi-liquid chemical propulsion technologies and associate a solid fuel and a liquid oxidizer in its classical configuration. This architecture offers several advantages over liquid propulsion such as lower costs and a simplified architecture. The possibility of performing multiple extinctions and re-ignitions and a good theoretical specific impulse is also an improvement in regard to solid propulsion. Hybrid engines also have improved safety and a lower environmental impact than other chemical propulsion systems. As in all combustion chambers, hybrid engines suffer from pressure oscillations under specific operating conditions. These instabilities provoke thrust fluctuations that can damage the launcher and payloads. Various phenomena can induce the pressure oscillations observed in hybrid rocket engines. The objective of this thesis is to propose a model of hydrodynamics instabilities that appear in hybrid engines. A new exploitation of the database available at ONERA, and unsteady 2D and 3D numerical simulations were used for the modeling. The instabilities are provoked by the periodic formation of vortices in the combustion chamber that generate pressure fluctuations when passing through the nozzle throat. The originality of the model, which is based on the classical theory of vortices generation in a cavity, consists in taking into account the geometrical variations of the combustion chamber during operation. These variations have an effect on the flow velocity, on the recirculation area in the postchamber and on the vortices. Finally, several new firing tests of the hybrid engine HYCOM have been performed and compared to the model developed in this thesis.Les moteurs-fusées hybrides combinent les technologies des deux autres catégories de moteurs à propulsion chimique, et associent un combustible et un oxydant stockés respectivement sous phase solide et liquide. Cette architecture offre un certain nombre d’avantages, comme par exemple des coûts plus faibles et une architecture simplifiée par rapport à la propulsion bi-liquide; la possibilité de réaliser de multiples extinctions et ré-allumages et une bonne impulsion spécifique théorique par rapport à la propulsion solide, et enfin une sécurité de mise en oeuvre accrue et un impact environnemental faible vis-à-vis de ces deux autres modes de propulsion. Comme toutes les chambres de combustion, celles des moteurs hybrides peuvent subir des oscillations de pression sous certaines conditions de fonctionnement. Ces instabilités se traduisent par des fluctuations de poussée qui peuvent dégrader la structure d’un lanceur ou d’un satellite. Des phénomènes divers peuvent être à l’origine des fluctuations de pression observées dans les moteurs hybrides. L’objectif de la thèse est de proposer une modélisation des instabilités d’origine hydrodynamique qui apparaissent dans les moteurs hybrides. Une exploitation nouvelle de la base de données disponible à l’ONERA a servi de support pour la modélisation, ainsi que des simulations numériques instationnaires 2D et 3D réalisées à l’aide du code CFD CEDRE. Les instabilités sont provoquées par la formation périodique de structures tourbillonnaires dans la chambre de combustion, qui génèrent des fluctuations de pression lors de leur passage dans le col de la tuyère. L’originalité du modèle, basé sur la théorie classique de génération tourbillonnaire dans une cavité, consiste à prendre en compte les variations géométriques de la chambre de combustion au cours des tirs. Ces variations ont un effet sur la vitesse de l’écoulement, sur la zone de recirculation dans la post-chambre, ainsi que sur les tourbillons eux-mêmes. Enfin, plusieurs nouveaux essais du moteur hybride HYCOM ont été effectués et confrontés au modèle développé dans le cadre de la thèse