BEI

Présentation du sujet


Ce BEI est consacré à l'étude de la simulation CFD du remplissage de la chambre d'alimentation du moteur cryogénique de la fusée Ariane, en partenariat avec SNECMA et l'IMFT

Cette étude est réalisée pour la société SNECMA, dont l'objectif industriel est la simulation 3D de l'alimentation en oxygène lors d'un transitoire de réallumage du moteur Vinci. Le travail effectué doit permettre d'évaluer la capacité du logiciel NEPTUNE_CFD à simuler le remplissage et le flashing en oxygène d'une chambre d'alimentation schématique.

NEPTUNE_CFD est un code de calcul de CFD multiphasique développé par un consortium : EDF, CEA, IRSN, AREVA_NP. Il présente l'intérêt pour ce travail d'un accès facile aux fichiers utilisateur, permettant de modifier les sources du code de calcul, sous forme de fichiers FORTRAN. Il permet également de traiter de géométries complexes et propose plusieurs modèles numériques.

La structure du moteur VINCI, et les écoulements d'oxygène et d'hydrogène liquides sont indiqués sur le schéma ci-dessous.


Alimentation du moteur VINCI®
Schéma de l'alimentation du moteur VINCI®





Contexte industriel


Le moteur Vinci est né d'un projet européen à la fin des années 90, et avait pour objectif d'équiper l'étage supérieur de la version lourde de la fusée Ariane V. La particularité de moteur consiste en une poussée plus importante que ses précédesseurs, ainsi que la possibilité de réallumage en vol pour permettre de déposer plusieurs satellites à des orbites différentes.

Caractéristiques du moteur :


Moteur VINCI®
Moteur VINCI®

L'objectif de la SNECMA est de pouvoir obtenir des simulations du remplissage en Oxygène du dôme à l'aide d'un code de calcul de Recherche et Développement. La réalité doit être globalement bien représentée par les simulations, éventuellement au détriment de la bonne prise en compte d'un des phénomènes. En effet, les différents phénomènes intervenant lors du remplissage sont nombreux et complexes, et de forts couplages apparaissent. La difficulté de l'étude est alors de pouvoir tous les prendre en compte.






Travail effectué


Un travail préliminaire à notre projet a déjà été effectué par O. Simonin et al. au sein de l'IMFT. Les principaux résultats seront développés ci-après.

Simulations 2D

Des simulations 2D ont été réalisées sur Neptune_CFD. Les paramètres de calcul suivants ont donc été fixés : la loi de trainée à été calculée à partir du modèle de Simmer, le diamètre des gouttes fixé à 10-3 m, et le modèle de turbulence adopté est le modèle k-ε. Les résultats obtenus sont les suivants :

Deux études ont été faites, avec un modification de la vitesse d'injection de l'oxygène dans la chambre. Dans la première, la vitesse d'injection est plus faible, et il y a échange d'enthalpie et de masse entre les deux phases par évaporation. Dans la deuxième simulation, l'intérêt est d'abord porté sur l'effet de l'Helium (initialement présent dans la chambre sur la thermodynamique ; il est ensuite porté sur l'injection pariétale d'Helium.

Chambre préalablement remplie d'Oxygène gazeux (sans Hélium)

Dans le cas où la vitesse d'injection est faible par rapport à la réalité, la simulation s'exécute correctement, et on observe un écoulement stratifié qui tend vers un écoulement à bulles. Cependant, on observe un transfert de masse négatif de la phase vapeur vers la phase liquide, d'où la nécessité de changer les modèles de transfert thermique.

Dans le cas où les conditions aux limites sont modifiées (vitesse d'injection supérieure), les calculs divergent (certainement en raison de gradient de fraction massique trop élevé). Dans ces calculs, les modèles de transfert thermique ont été modifiés et une plaque d'homogénéisation a été introduite.

Chambre préalablement remplie d'Hélium gazeux

Si la simulation est effectuée avec la plaque d'homogénéisation et sans injection pariétale d'Helium, la simulation se fait de manière satisfaisante. On observe une diminution de la température de la phase gazeuse

Dans le cas d'une injection pariétale d'Hélium, le calcul s'éxecute, mais certaines vitesses obtenues restent aberrantes.

Simulations 3D

Dans ces simulations 3D, le modèle de turbulence utilisé est le même qu'en 2D, tout comme la loi de trainée. On utilise un maillage simplifié pour diminuer le temps de calcul.

Chambre préalablement remplie d'Oxygène gazeux (sans Hélium)

Dans ce cas, le calcul diverge après 0.6 secondes physiques (17 heures de calcul). L'erreur est due à des problèmes de thermodynamique et de transfert de chaleur. De plus, un problème d'entrée de l'oxygène gazeux par les injecteurs.

Chambre préalablement remplie d'Hélium gazeux

Dans ce cas, on simule également une injection pariétale d'Helium à très haute vitesse. Une simulation réussie est effectuée sans évaporation de l'oxygène ni transfert de chaleur.




Objectifs


Après étude des travaux déjà réalisés lors des précédentes simulations, nous nous sommes fixé divers objectifs.