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The materials of the combustion chamber wall of rocket engines have to withstand extreme thermal and mechanical loadings, which are managed by efficient cooling. For an optimal design of the cooling system, with minimal hydrodynamic losses, a precise knowledge of the heat transfer is required. The combustion chamber profile imposes some curvatures to the cooling channel, because they follow the nozzle profile of the combustion chamber. These curvatures create dynamical secondary flows inside the channel and bring heat flux modifications through the chamber walls. The experimental project EH3C (Electrical Heated Curved Cooling Channels) has been supported by the german space propulsion center (DLR) in the frame of this PhD. Two test specimens have been designed, manufactured and tested. The first specimen is a single straight cooling channel, presenting a high aspect ratio and the second one is curved, in order to enlighten the curvature effects on the heat transfer and the pressure losses. Numerical simulations have been provided to model the experiments; Les matériaux de la chambre de combustion des moteurs fusées doivent supporter d´extrêmes contraintes mécaniques et thermiques de par les gradients considérables de pression et de température. L´optimisation des systèmes de refroidissement se révèle donc être un élément majeur lors du design des chambres de combustion. Concernant le système de refroidissement convectif dit « régénératif », les ergols circulent dans les canaux de refroidissement, qui sont usinés le long de la chambre de combustion. Les canaux doivent épouser le profil de la tuyère et ne sont donc pas rectilignes. Cela crée des écoulements secondaires dus aux forces centrifuges, les tourbillons de Dean. Ces écoulements secondaires viennent modifier l´écoulement principal et les transferts de chaleur des canaux de refroidissement.Le projet expérimental EH3C (Electrical Heated Curved Cooling Channels) a été soutenu par l´institut allemand de propulsion spatiale DLR, dans le cadre de cette thèse. Deux prototypes expérimentaux ont été conçus, fabriqués et testés, reproduisant les canaux de refroidissement d´un moteur fusée dans lesquels circulent des ergols (hydrogène et méthane). Le premier prototype est un canal droit à haut facteur de forme, alors que le second reprend la même géométrie mais présente une courbure. Ces deux prototypes ont été testés au DLR dans des conditions expérimentales similaires avec pour objectif de mettre en valeur le rôle de la courbure sur le transfert de chaleur et les pertes de charges. Des simulations numériques ont aussi été réalisées pour modéliser ces expériences. |
