A compressible two-phase flow framework for Large Eddy Simulations of liquid-propellant rocket engines

Autor: C. Le Touze, N. Rutard, Angelo Murrone, Luc-Henry Dorey
Přispěvatelé: DMPE, ONERA, Université Paris Saclay [Palaiseau], ONERA-Université Paris-Saclay
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2020
Předmět:
Zdroj: Applied Mathematical Modelling
Applied Mathematical Modelling, Elsevier, 2020, 84, pp.265-286. ⟨10.1016/j.apm.2020.03.028⟩
ISSN: 0307-904X
DOI: 10.1016/j.apm.2020.03.028⟩
Popis: International audience; Atomization of liquid jets is a key feature of many propulsion systems, such as jet engines, internal combustion engines or liquid-propellant rocket engines (LRE). As it controls the characteristics of the spray, atomization has a great influence on the complex interaction between phenomena such as evaporation, tur- bulence, acoustics and combustion. In this context, Computational Fluid Dynamics is a promising way to bring better understanding of dynamic phenomena involving atomization, such as e.g. high-frequency combustion instabilities in LRE. However the unsteady simulation of primary atomization in reactive com- pressible two-phase flows is very challenging, due to the variety of the spatial and temporal scales, as well as to the high density, velocity and temperature gradients which require robust and efficient numerical meth- ods. To address this issue, a numerical strategy is proposed in this paper, which is able to describe the whole chain of mechanisms from the liquid injection to its atomization and combustion. Primary atomization is modeled by a coupling between a homogeneous diffuse interface model and a kinetic-based Eulerian model for the spray. This strategy is successfully applied to the unsteady simulation of an operating point of the Onera’s Mascotte test bench, representative of one coaxial injector of LRE operating under subcritical conditions. The dynamics of the liquid core is retrieved and the flame shape is in good agreement with experimental results. These results demonstrate the ability of the strategy to deal with the harsh conditions of cryogenic combustion, and provide a promising framework for future studies of combustion instabilities in LRE.; L'atomisation primaire des jets liquides intervient dans beaucoup de systèmes propulsifs, tels que les moteurs à réaction, les moteurs à combustion interne ou les moteurs-fusées à ergols liquides. Puisqu'elle contrôle les caractéristiques du spray, l'atomisation a une influence prépondérante sur l'interaction complexe entre des phénomènes tels que l'évaporation, la turbulence, l'acoustique et la combustion. La CFD est une voie prometteuse pour améliorer la compréhension de phénomènes instationnaires impliquant l'atomisation, telles les instabilités de combustion haute-fréquence dans les moteurs-fusées à ergols liquides. Cependant, la simulation instationnaire de l'atomisation primaire dans les écoulements diphasiques, compressibles et réactifs représente un défi à relever. D'une part en raison de la grande variété d'échelles spatiales et temporelles impliquées, et d'autre part en raison des importants gradients de densité, vitesse et température, qui nécessitent des méthodes numériques robustes et efficaces. Pour traiter cette problématique, ce papier propose une stratégie numérique pour la LES des écoulements diphasiques, compressibles et réactifs résultant de l'atomisation des jets liquides. Cette stratégie permet de décrire toute la chaine de mécanismes, depuis l'injection liquide jusqu'à l'atomisation du spray et la combustion. L'atomisation primaire est modélisée par un couplage entre un modèle à interface diffuse homogène et un modèle cinétique eulérien, respectivement dédiés aux phases séparées et à la phase dispersée. Cette stratégie est appliquée avec succès à la simulation instationnaire d'un point de fonctionnement du banc d'essai Mascotte de l'ONERA, représentatif d'un injecteur coaxial de moteur-fusée à ergols liquides fonctionnant en régime subcritique. Les résultats démontrent la capacité de la stratégie à traiter les conditions sévères inhérentes à la combustion cryotechnique. La dynamique du coeur liquide est décrite et la forme de la flamme est en bon accord avec les résultats expérimentaux. Ces caractéristiques fournissent un cadre prometteur pour les études futures sur les instabilités de combustion dans les écoulements diphasiques.
Databáze: OpenAIRE
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