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Thèse présentée à

INSA de Rouen

Discipline : Physique

Spécialité : Energétique

Par

Jean-Luc BEDUNEAU

Soutenue le 14 mai 2001

Caractérisation expérimentale des flammes nonprémélangées H2/O2 : application aux cas des injecteurs coaxiaux de moteurs fusées.
Jury ESCUDIE D. (Rapporteur) Chargée de recherche CNRS, Ecole Centrale, Lyon
BORGHI R. Professeur, ESM2, IRPHE, Marseille
BOUKHALFA A . Professeur, INSA de Rouen, CORIA, Rouen
GÖKALP I. Directeur de Recherche CNRS, LCSR, Orléans
MOST J. M. (Rapporteur) Directeur de Recherche CNRS, ENSMA, Poitiers
TRINITE M. Directeur de Recherche CNRS, CORIA, Rouen
ZURBACH S. Ingénieur, SNECMA (Moteurs fusées), Vernon

La propulsion aérospatiale a connu en matière de gain de puissance et de fiabilité, une évolution importante durant les dernières décennies. Ces deux points restent cependant entièrement d’actualité pour le développement des futurs moteurs spatiaux. La progression vers ces objectifs passe par une meilleure compréhension des phénomènes physiques mis en jeu lors de la combustion dans les moteurs cryotechniques. Dans cette optique, ce mémoire concerne l’étude de la combustion hydrogène-oxygène en phase gazeuse, stabilisée sur des injecteurs coaxiaux de moteurs fusées. L’objet de ces travaux est la caractérisation de la flamme hydrogène-oxygène à l’aide de, la Tomographie Laser, l’Anémométrie Doppler Laser, la Vélocimétrie par Inter corrélation d’Images de Particules et de l’imagerie de l’émission spontanée du radical OH*. Il a été déterminé les régimes de fonctionnement des flammes H2/O2, ainsi que l’impact des grandes structures présentes dans le jet d’hydrogène sur le front de flamme. L’étude a été basée sur la variation de paramètres tels que le diamètre des injecteurs, le rapport de mélange et les vitesses débitantes. Cela a permis de caractériser l’effet d’échelle des injecteurs ainsi que l’impact des conditions du mélange sur le développement de la flamme. Les mesures obtenues dans cette étude constituent une base de données sur le développement dynamique de la flamme hydrogène-oxygène ainsi que sur l’interaction entre la flamme et la turbulence. De plus, le mode de stabilisation de la flamme a été étudié de façon très précise. Il a été montré que l’épaisseur de la lèvre de l’injecteur est un paramètre déterminant pour la stabilisation. Par delà les caractérisations globale et locale de la combustion H2/O2 à haute vitesse, les résultats de cette étude forment une base de données utile pour la modélisation et la simulation numérique de ce type de combustion.

Mots clés : combustion turbulente, hydrogène, oxygène, ADL, PIV chemiluminescence, instabilités

Aerospace propulsion has been subjected in last decades to an increase of power and reliability. Those two points are still topical questions as far as new rocket engines development is concerned. Reaching those objectives means increasing our understanding of combustion phenomena in rocket engines. In this way, this thesis presents a study of hydrogen-oxygen combustion in gas phase, stabilized on coaxial rocket engines injectors. The aim of this work is to characterize hydrogen-oxygen flames with several experimental techniques (Laser Tomography, Laser Doppler Velocimetry, Particle Intercorrelation Images Velocimetry and OH* chemi-luminescence). H2/O2 combustion ratings as well as the impact of large scale structures located in the hydrogen on the flame front have been determined. The study is based on the variation of several parameters like injector diameter, mixing rate and velocity magnitude. These parameters allow to characterize injector scale effects and the impact of mixing conditions on the flame development. Results of this work form a database on H2/O2 flame dynamic development and turbulence/flame interactions. Furthermore, stabilization mode has been studied in an accurate way. The crucial role of the injector lip played on flame stabilization is underlined. Finally, results of this study make a database that can be used in modeling and in numerical simulation.

Keywords : Turbulent combustion, hydrogen, oxygen, LDV, PIV, chemiluminescence, rocket injector, instability

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