Topic description
Ce projet doctoral aborde un défi scientifique crucial pour la propulsion spatiale : les instabilités de combustion dans les moteurs-fusées à ergols liquides. Ces instabilités, caractérisées par des oscillations de pression à haute fréquence (20 à 30 % de la pression moyenne), résultent du couplage entre les modes acoustiques de la chambre de combustion et la libération instationnaire de chaleur. Elles engendrent des contraintes mécaniques et thermiques excessives, risquant de compromettre la mission. Leur maîtrise est donc essentielle pour concevoir des moteurs plus performants et fiables, en phase avec les exigences des lanceurs actuels et futurs.
L'originalité du projet réside dans son approche intégrée, combinant simulation haute-fidélité, exploitation de données expérimentales et modélisation d'ordre réduit. L'objectif est d'intégrer les mécanismes physiques des instabilités dans le code StaHF, développé conjointement par le CNRS, le CNES et ArianeGroup. Ce code, validé par des simulations aux grandes échelles et des données expérimentales issues de bancs cryotechniques, permet aujourd'hui à ArianeGroup une prédiction robuste des instabilités en phase de conception.
Le programme de travail se structure en trois axes. Le premier consiste en une analyse critique des mécanismes de couplage acoustique/flamme et d'amortissement, comparés à des simulations haute-fidélité. Le deuxième axe vise à poursuivre le développement de cette méthodologie d'ordre réduit pour prédire les instabilités dans des moteurs réels, validée par des données de la littérature. Enfin, le troisième axe évaluera la robustesse et la sensibilité de l'outil, en analysant ses incertitudes pour une utilisation en ingénierie.
Le doctorant bénéficiera d'un environnement pluridisciplinaire, acquérant des compétences en modélisation physique, validation expérimentale et développement d'outils numériques. Ces compétences, essentielles pour le secteur spatial, seront valorisées par des publications dans des revues internationales et des communications lors de conférences majeures (AIAA, EUCASS, Space Propulsion).
Le projet s'appuiera sur des ressources de calcul haute performance, des données expérimentales et un encadrement conjoint de Sébastien Ducruix et Thomas Schmitt, Chargé de Recherche au CNRS. Un cofinancement a été demandé à l'Académie Spatiale d'Ile-de-France lors de son dernier appel, complété par un soutien du CNES et d'ArianeGroup.
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This PhD project addresses a critical scientific challenge in space propulsion: combustion instabilities in liquid-propellant rocket engines. These instabilities, characterized by high-frequency pressure oscillations (reaching 20–30% of the mean chamber pressure), arise from the coupling between acoustic modes in the combustion chamber and unsteady heat release. They generate excessive mechanical and thermal stresses, potentially compromising mission success. Mastering these instabilities is therefore essential for designing higher-performance, more reliable engines that meet the demands of current and future launchers.
The project's originality lies in its integrated approach, combining high-fidelity simulations, experimental data analysis, and reduced-order modeling. The goal is to embed the physical mechanisms of these instabilities into the StaHF code, jointly developed by CNRS, CNES, and ArianeGroup. Validated through large-eddy simulations and experimental data from cryogenic test benches, this code now enables ArianeGroup to make robust predictions of instabilities during the engine design phase.
The research program is structured around three key objectives. First, it involves a critical analysis of acoustic/flame coupling and damping mechanisms, benchmarked against high-fidelity simulations. Second, it aims to further develop reduced-order modeling techniques for predicting instabilities in real engines, validated using literature data. Finally, the third objective assesses the tool's robustness and sensitivity, analysing uncertainties to ensure its suitability for engineering applications.
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Début de la thèse : 01/10/
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