Simulation d'écoulements diphasiques avec des modèles multifluides pour la propulsion cryogénique spatiale

Abstract

Numerical simulation of liquid rocket engines raises several difficulties, particularly regarding the wide array of operating conditions and its consequences on the two-phase topology of the flow. The objective of the present thesis is to evaluate the ability of the multifluid class of two-phase models to accurately represent compressible flows, while accounting for molecular diffusion within each phase and interface exchanges between them. From the existing literature, a general out-of-equilibrium model is derived, accounting for all aforementioned phenomena, and is then reduced towards equilibrium to yield a hierarchy of models, each with different equilibrium hypotheses between phases. Finite-Volume numerical methods, and the challenges linked to their adaption to the complex multifluid models, are presented and evaluated in multiple elementary cases. Various existing models and numerical methods are compared in terms of robustness and accuracy, unveiling potential issues related to the equation system or its numerical treatment. Particular attention is given to their behavior in the presence of interface exchanges, molecular diffusion, and multiple species in the gas phase.La simulation numérique de l'injection liquide pour des moteurs fusée présente un certain nombre de difficultés, notamment à cause de la grande variété de conditions de fonctionnement existantes, avec des conséquences sur la topologie de l'écoulement diphasique en résultant. L'objectif de cette thèse est d'évaluer la capacité des modèles dits multifluides à décrire des écoulements diphasiques, compressibles, en prenant en compte les effets de diffusion moléculaire et les échanges entre phases. A partir de l'état de l'art, la dérivation d'un modèle multifluide hors-équilibre est effectuée ici. Le modèle résultant est ensuite réduit à une série d'hypothèses d'équilibre entre les phases, menant à une hiérarchie de modèles multifluides différents par leurs hypothèses d'équilibre. Des méthodes numériques Volumes Finis sont présentées, avec les défis liés à leur adaptation aux modèles multifluides. Elles sont également évaluées sur un ensemble de cas de validation élémentaires. Les modèles sont comparés en termes de robustesse et de précision, mettant en lumière de potentielles difficultés liées soit au système d'équations soit à la méthode numérique associée. Une attention particulière est accordée à leur comportement en présence d'échanges interfaciaux entre les phases, de phénomènes diffusifs, ainsi que de plusieurs espèces différentes dans la phase gazeuse