La simulation numérique des chambres de combustion des lanceurs spatiaux est un sujet qui suscite un intérêt croissant, car elle peut contribuer au développement de conceptions plus sûres et plus efficaces. La compréhension de l'injection de carburant est un défi particulièrement difficile à relever d’autant plus que ce dernier joue un rôle non négligeable dans le développement d’instabilité de combustion néfaste au bon fonctionnement du moteur. L'oxygène liquide est injecté par un orifice rond entouré d'un flux gazeux annulaire de carburant, ce qui conduit, dans des conditions souscritiques, à un processus d'atomisation assistée en deux phases. Le résultat de ce processus est un écoulement diphasique très dense et polydispersé, qui influence fortement le comportement de la chambre. L'étude expérimentale de cet écoulement est difficile en raison de la géométrie axisymétrique et de la caractéristique dense de la pulvérisation. Ni la simulation RANS moyennée (Reynolds Averaged Navier Stokes) ni la simulation instationnaire des grandes échelles turbulences (LES) ne possèdent de modèles fiables capables de reproduire les plus petites échelles de l'atomisation, l'une des raisons étant les difficultés expérimentales à obtenir des informations pertinentes dans la zone dense du jet liquide.
C'est pourquoi ce travail vise à fournir des données détaillées sur le processus d'atomisation à l'aide de la simulation numérique directe haute-fidélité. On présente une simulation de l’atomisation coaxiale liquide-gaz assistée dans le régime de fibre typique rencontré dans les injecteurs cryogéniques des moteurs fusée. Cette étude vise à mieux comprendre l'évolution de la topologie du liquide durant son atomisation et à extraire des grandeurs pertinentes qui peuvent aider à développer des modèles à plus grande échelle. Dans le cadre de ce grand challenge, on a pu mener une simulation avec un rapport de densité liquide/gaz de 1000, ce qui n'avait jamais encore été fait dans ce type de configuration grâce au code DyJeat développé à l’ONERA depuis plusieurs années. Ce code massivement parallèle (extensibilité quasi parfaite jusqu’à 86000 cœurs) permet de simuler sans aucun modèle de turbulence les écoulements multiphasiques. Associé à ce code, un outil de traitement de données, AlgoDetec a été développé afin de permettre l’extraction à la volée durant la simulation des différentes structures liquides qui vont se former lors de l’atomisation du jet liquide : cœur liquide, ligaments, gouttes.
Ce qu’a permis la simulation
L'analyse a été organisée en suivant la progression de l'écoulement. Tout d'abord, une analyse de fréquence a été effectuée sur le noyau liquide pour étudier l'origine du processus d'atomisation. Ensuite, AlgoDetect a été utilisé pour analyser l'atomisation principale, permettant la caractérisation de la taille et de la forme des structures liquides. Les structures ligamentaires sont mises en perspective dans le processus d'atomisation. Enfin, l'accent a été mis sur la taille caractéristique des gouttelettes dans le spray final et sur la stabilisation des structures liquides de forme sphérique. L'analyse de l'écoulement a permis de préciser le scénario se produisant lors de l'atomisation en régime fibreux. A proximité de la sortie de l'injecteur, une zone de non-atomisation a été caractérisée par des ondulations visibles sur le cœur du liquide, dont la fréquence spécifique est sans doute l'origine première de l'ensemble du processus d'atomisation de ce régime. À une certaine position en aval dans le noyau liquide, les ondulations de l'interface deviennent suffisamment importantes pour créer de grandes poches de liquide ainsi que des structures allongées attachées au noyau.
Ensuite, l'atomisation de ces grandes structures crée une population de ligaments allongés détachés. Très rapidement, ces ligaments détachés sont également atomisés en de nombreuses gouttelettes sphériques. Les gouttelettes résultantes sont finalement trop petites pour être affectées de manière significative par l'atomisation. Cette atomisation texturale a été localisée avec précision, le nombre de structures ligamentaires détachées étant un bon indicateur de son avancement. L’ensemble des ces résultats a permis d’établir des distributions spatiales de tailles et de vitesses de gouttelettes qui seront employées ultérieurement pour améliorer les modèles à plus grande échelle utilisés dans le secteur industriel de la propulsion fusée.
Chiffre clé :
X10 : C'est la multiplication du rapport de densité entre le liquide et le gaz par rapport aux simulation précédentes.
Définitions :
Atomisation : phénomène de création d'un spray de fines gouttelettes pendant l'injection de liquide.
Multi-phasique : Écoulement comportant plusieurs phases distingues non-miscibles (ici une liquide et une gazeuse).