NSTITUT    OLYTECHNIQUE DES    CIENCES    VANCEES 24, rue Pa

   NSTITUT    OLYTECHNIQUE DES    CIENCES    VANCEES 24, rue Pasteur – 94270 LE KREMLIN-BICETRE * Tél. : 01.44.08.01.00 * Fax : 01.44.08.01.13 Etablissement Privé d’Enseignement Supérieur – SIRET N° 433 695 632 00011 – APE 803Z    NSTITUT    OLYTECHNIQUE DES    CIENCES    VANCEES            !  Rapport rédigé par les élèves de la promotion 2008 de l’IPSA M. BESSON Sylvain - M. CONDE Michel Sous la conduite de : M. POIREY Gilles Ingénieur de la Société Nationale des Poudres et Explosifs     - Modélisation de la combustion hybride - - Modélisation de la combustion hybride - 1 REMERCIMENTS Mettre en œuvre un projet industriel de recherche, met en jeu des connaissances et des exigences, mais cela fait en premier lieu appel à des personnes que nous tenons à remercier M. Gilles POIREY, Ingénieur de la Société de la Société Nationale des Poudres et Explosifs. Que nous tenons à remercier pour son implication dans le projet, sa disponibilité et son aide qui nous a été précieuse M. Fabrice LEZE, professeur de mécanique des fluides à L’Institut Polytechnique des Sciences Avancées (IPSA). Que nous tenons à remercier pour l’intérêt du sujet proposé, et pour sa supervisassions dans l’ensemble. M. AUBIN Vincent, M. DEPORT Stéphane, M. GOURY Yoann élèves en troisième année du cycle ingénieur de l’IPSA. Que nous tenons à remercier pour leur participation dans le cadre de leur projet de fin d’étude.  - Modélisation de la combustion hybride - 2 RÉSUMÉ  Le présent document vise à proposer une solution objective et appropriée aux problèmes de modélisation que soulève la combustion hybride. Il traite de l’évolution de la régression dans l’espace et dans le temps ; de l’influence de la géométrie sur la régression. Cette solution doit nous permettre de nous rapprocher au plus près des phénomènes physiques qui caractérisent la propulsion hybride, le peu modèles existant n’étant pas satisfaisant. La géométrie étudiée est celle d’un moteur où l’oxydant liquide se trouve dans un réservoir auto pressurisé. Le bloc de carburant solide est monocanal. Au centre de celui-ci l’oxydant est injecté sous forme gazeuse. L’objectif avoué est de comprendre les balistiques internes du moteur hybride et de définir les critères de dimensionnement. S’aidant d’un code 0D Matlab, on intègre ces balistiques à un modèle 2D ce qui constitue un véritable aboutissement, puisqu'à ce jour on ne connaît pas l'influence de la géométrie sur la combustion hybride. On Modélise sous Fluent la combustion d'un mélange gazeux HTPB/N2O et la balistique du moteur (la régression de surface étant établie à l'aide d'une routine Matlab) Une comparaison aux modèles déjà existant, et l’appréciation de la pertinence du lien existant entre dimensionnement et combustion permettront de tirer les conclusions qui s’imposent. ABSTRACT This document aims to suggest an objective and appropriate solution to modelling problems in hybrid combustion. That solution must enable us to get closer to the physical phenomenon that characterizes the hybrid propulsion models. The geometry studied is an engine where the liquid oxidizer is into an auto-pressurized tank. The block of solid fuel is an only one conduit. In its centre, the oxidizer is injected under gaseous shape. The goal is to understand the internal ballistics of the hybrid engine and define the criteria of sizing. Using the 0D Matlab code, we integrate these ballistics into a 2D model which establishes a real outcome, currently we don’t know the geometrics’ influence on hybrid combustion. We Model under Fluent the combustion of a gas mixture HTPB / N2O and the ballistics of the engine (The regression of surface is established with the help of a Matlab file) A comparison with the current models and the relevance appreciation of the real link between sizing and combustion will enable us to take the good solutions. - Modélisation de la combustion hybride - 3 INTRODUCTION Dans le domaine de la propulsion fusée, deux technologies se partagent globalement la mise en œuvre des opérations pour la défense et la mise en orbite. Ce sont la propulsion solide et la propulsion liquide. La propulsion hybride se place comme une alternative sérieuse à ces deux technologies. De par ses caractéristiques, elle semble plus appropriée à la politique sécuritaire et de diminution des coûts appliquée à la propulsion, que ce soit pour le domaine spatial ou le domaine stratégique. Dans son procédé d’élaboration, la propulsion hybride se situe entre la propulsion solide et la propulsion liquide. Plus complexe que la première, elle est également moins lourde et moins complexe que la seconde. En effet, il n’y a qu’un seul de ses ergols à pressuriser. Les ergols inertes utilisés permettent l’allègement des processus de production, de stockage, de transport et de mise en œuvre. En ce qui concerne le pilotage de la poussée, celui-ci, par définition peu se faire en fonction de la géométrie du pain. La poussée peut être régressive, constante ou progressive. Dans le pilotage de la poussée, intervient surtout le débit d’oxydant. La poussée peut donc être modulée, l’arrêt et le rallumage du moteur sont permis. Si la combustion hybride est maîtrisée au sens de l’allumage et de l’extinction du moteur, elle ne l’est pas concernant les performances. L’hybride demeure un moteur difficile à optimiser. Les modèles reflétant la combustion et les balistiques internes d’un moteur hybride sont confrontées à des difficultés de mises en œuvre et à des résultats en deçà des attentes. Nous tacherons de contourner ces difficultés et de proposer un modèle de fonctionnement cohérant. La première approche consiste à modéliser la combustion en statique. La quantité de carburant et d’oxydant et la géométrie restent les même pendant toute la combustion. Une fois l’obtention des résultats souhaités, on passe en dynamique pour avoir une modélisation réelle de la combustion. C'est-à-dire en modélisant l’évolution de la régression en fonction du temps et de l’espace. Nous montrerons aussi à l’aide de critères détaillés l’impact de la géométrie sur cette régression. Pour cela un approche 2D serra nécessaire afin d’approcher efficacement les phénomènes mis en jeu. Dans une première partie on présentera les réacteurs-fusées en générale, puis on abordera les généralités et spécificités du moteur hybride. Dans une deuxième partie nous présenterons les outils de la modélisation qui conduisent au dimensionnement et les choix établis. En troisième et dernière partie nous analyserons et expliciterons les résultats. Comme critère permettant de qualifier les résultats de bonne modélisation, nous nous attacherons à la ressemblance avec les résultats connus. - Modélisation de la combustion hybride - 4  REMERCIMENTS 1 RÉSUMÉ 2 ABSTRACT 2 INTRODUCTION 3 GLOSSAIRE 5 SYNTHESE/CONCLUSION 6 MODELISATION DE LA COMBUSTION HYBRIDE 7 1. Principe des réacteurs-fusées. 7 2. Qu’est-ce que la combustion hybride, et comment ça fonctionne ? 8 3. Combustion et balistiques internes d’un moteur hybride. 9 4. Architecture Détaillée du Moteur Hybride modélisé 10 5. Quelles sont les difficultés liées à la propulsion hybride ? 12 6. Etude numérique 12 BIBLIOGRAPHIE 16 SOMMAIRE DES ANNEXES 18 - Modélisation de la combustion hybride - 5 GLOSSAIRE  - Cavitation : formation de cavités remplies de vapeur ou de gaz au sein d’un liquide en mouvement, lorsque la pression en un point du liquide devient inférieure à la tension de vapeur de celui-ci. - Divergent tuyère: rapport de la section de sortie de tuyère sur la section au col sonique. - Ergol : Comburant ou combustible entrant dans la composition d’un propergol. - HTPB (polybutadiène hydroxytéléchéliques) : propergol composite. - Impulsion spécifique : On définit ce coefficient Isp comme le rapport de la poussée au débit poids de propergol passant a travers la tuyère : 0 .g q F Isp = Poids considère en un lieu ou l’accélération de la pesanteur est normale ( 2 0 / 80665 , 9 s m g = ). Lorsque la poussée et le débit sont constants durant le fonctionnent du propulseur, l’impulsion spécifique définit l’impulsion que peut fournir l’unité de poids du propergol, d’où l’origine de son nom. Ayant la dimension d’un temps, elle s’exprime en secondes. - LOX : LOX est un acronyme utilisé dans l'industrie pour désigner le dioxygène liquide. Le dioxygène liquide est stocké à une température de -183°C. Mélangés avec du LH2, l'hydrogène liquide, ces ergols cryogéniques forment le propergol qui alimente les moteurs des lanceurs utilisés en astronautique. - Paraffine : substance blanche faite d’un mélange d’hydrocarbures saturés solides caractérisés par leur inertie chimique. - Propergol : produit composé d’un ou plusieurs ergols et capable, par réaction chimique, de fournir l’énergie de propulsion d’un moteur-fusée. - Modélisation de la combustion hybride - 6 SYNTHESE/CONCLUSION La propulsion hybride est une technologie qui a les capacités de répondre aux nouvelles attentes en matière de sécurité pour la propulsion stratégique et spatiale. L’hybride est avant tout la sécurité qui prime sur les performances Maîtrisée elle s’ouvrira un vaste domaine d’applications. Elle reste cependant un vaste chantier de recherches. Lors de cette étude, nous avons uploads/Geographie/ modelisation-combustion-hybride-pdf.pdf

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