Soutenance de thèse de Joris CAZE

Ecole Doctorale
SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique
Spécialité
Sciences pour l'ingénieur : spécialité Mécanique et Physique des Fluides
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Méthode des interfaces diffuses,Multiphasique,Cavitation,Changement de phase,Turbopompe,Inducteur
Keywords
Diffuse-interface method,Two-phase flow,Cavitation,Phase change,Turbopump,Inducer
Titre de thèse
Modélisation et simulation du phénomène de cavitation au sein des turbopompes des moteurs spatiaux
Modeling and simulation of the cavitation phenomenon in space engine turbopumps
Date
Jeudi 3 Novembre 2022 à 10:00
Adresse
Laboratoire IUSTI UMR 7343 5 rue Enrico Fermi 13453 Marseille
Amphithéâtre Fermi
Jury
Directeur de these M. Eric DANIEL Laboratoire IUSTI UMR 7343
Rapporteur M. Eric GONCALVES DA SILVA Institut Pprime - ISAE-ENSMA
Rapporteur M. Vincent PERRIER INRIA
Examinateur Mme Marica PELANTI ENSTA Paris - Institut Polytechnique de Paris
Examinateur M. Olivier POULIQUEN Laboratoire IUSTI UMR 7343
CoDirecteur de these M. Fabien PETITPAS Laboratoire IUSTI UMR 7343

Résumé de la thèse

Les moteurs-fusées à propergol liquide fournissent un effet propulsif grâce à l'éjection de gaz à haute température et pression dans une tuyère. Ces gaz sont issus de la combustion du propergol situé dans les réservoirs. L'acheminement de ces fluides cryogéniques vers la chambre de combustion nécessite l'utilisation de turbopompes capables de fournir les conditions requises pour la combustion. Lors du trajet du fluide, sa pression locale peut chuter brutalement du fait de l'aspiration de la pompe. Lorsque la pression de saturation est atteinte, des bulles de vapeur et des poches de cavitation peuvent apparaître : c'est le phénomène de cavitation. Ces structures, en traversant les pales, peuvent provoquer une sur-vitesse temporaire de la pompe, un blocage de l'écoulement ainsi que diverses instabilités mécaniques qui peuvent nuire à la performance de la pompe. Afin de mieux comprendre ce phénomène et de limiter son impact, ce travail de thèse vise à proposer une modélisation numérique de ce type d'écoulement. La formation de vapeur lors de la cavitation nécessite, à la fois, de prendre en compte l'aspect diphasique de l'écoulement et la compressibilité des phases. La famille des modèles d'écoulement diphasique à interfaces diffuses répond parfaitement à ces besoins et a été utilisée avec succès dans le passé pour modéliser des écoulements cavitants. La rotation des pales doit également être prise en compte. À cette fin, le modèle d'écoulement a été écrit dans un référentiel en rotation en utilisant la méthode Moving Reference Frame. Dans cette approche, le maillage est fixe et le mouvement de rotation est introduit en ajoutant des termes supplémentaires dans le système d'équations tels que les forces de Coriolis et centrifuges. Pour modéliser le changement de phase qui se produit pendant le phénomène de cavitation, une procédure de relaxation thermodynamique est utilisée. Cette dernière permet de déterminer directement le mélange liquide/vapeur à saturation résultant des transferts de masse et de chaleur. Afin de pouvoir déclencher la procédure de relaxation lorsque les conditions de saturation sont atteintes et de gérer l'apparition éventuelle de phases pures, une nouvelle stratégie exempte de paramètres empiriques a été proposée. Pour démontrer la capacité de la modélisation actuelle à décrire un écoulement cavitant dans une turbopompe, une étude préliminaire est montrée sur un inducteur en oxygène liquide (LOx) factice. Sur la base de ces résultats encourageants, l'étude des performances d'un inducteur de turbopompe à eau est réalisée dans un régime de cavitation et est comparée aux données expérimentales correspondantes.

Thesis resume

Liquid propellant rocket engines provide propulsive effect by ensuring the ejection of gases at high temperature and pressure into a nozzle. These gases are obtained from the combustion of the propellant located in the tanks. The routing of these cryogenic fluids to the combustion chamber requires the use of turbopumps able to provide the conditions required for the combustion. As the fluid travels, its local pressure may drop abruptly as a result of the pump suction. When the saturation pressure is reached, vapor bubbles and cavitation pockets may appear: this is the cavitation phenomenon. These structures, when passing through the blades, can cause a temporary overspeed of the pump, a blocking of the flow as well as various mechanical instabilities which can affect the performance of the pump. In order to better understand this phenomenon and to limit its impact, this thesis work aims to propose a numerical modeling of this type of flow. The formation of steam when cavitation is encountered requires, at the same time, to take into account the two-phase aspect of the flow and the compressibility of the phases. The family of two-phase flow models with diffuse interfaces is an ideal candidate for these needs and has been successfully used in the past to model cavitating flows. The rotation of the blades must also be considered. For this purpose, the flow model has been written in a rotating reference frame using the Moving Reference Frame method. In this approach the mesh is fixed and the rotational motion is introduced by adding additional terms in the system of equations such as the Coriolis and centrifugal forces. To model the phase change occurring during the cavitation phenomenon, a thermodynamic relaxation procedure is used. The latter allows to determine directly the liquid/vapor mixture at saturation resulting from the mass and heat transfers. In order to be able to trigger the relaxation procedure when the saturation conditions are reached and to manage the possible appearance of pure phases, a new strategy free of empirical parameters has been proposed. To demonstrate the ability of the present modeling to describe a cavitating flow in a turbopump, a preliminary study is showed on a dummy liquid oxygen (LOx) inducer. Based on these encouraging results, the study of the performance of a water turbopump inducer is carried out in a cavitating regime and compared to the corresponding experimental data.