Etude numérique et paramétrique de la combustion de particules d'aluminium

Abstract

Dans le but de prendre en compte la reactivite des particules d'aluminium issues de la combustion des pains de prop ergo1 solide qui sont places dans les lanceurs spatiaux, plusieurs modeles numeriques ont ete eprouves. Notre choix s'est rapidement porte sur le modele de Law puisqu'il permet de transiter continfiment d'une goutte d'aluminium a une goutte d'oxyde et de connaitre la taille du residu en fin de combustion ceci pouvant expliquer les depdts importants observes dans les moteurs fusee. En vue d'y etudier les couplages ecoulement / combustion, la combustion de gouttes d'aluminium a ete largement analyde au travers de calculs OD mettant en evidence les principaux rouages du processus de combustion.Several numerical models have been investigated to study the reactivity of aluminium particles coming from the combustion of solid propellants in spatial launchers. The Law model has been rapidly selected as it yields a continuous model from an aluminium drop to an oxide drop. The model also gives the residue size at the end of the combustion process. This could explain the scaling observed in the rocket engines. In order to study the coupling between the flow and the combustion, the combusion of aluminium drops has been widely analyzed with OD computation. The main mechanisms of the combustion process have been identified.Mots cles: combustion d'aluminium, numerique, couplage ecoulement-combustion, modele theorique.'analyse et le calcul numerique ont permis d'ameliorer L la comprehension, la conception et la realisation des moteurs fusee a propergol solide. Des phenomenes de plus en plus nombreux et de plus en plus fins sont incorpores aux modeles existants (en nette relation avec les progres de puissance informatique): dissipation visqueuse, dissipation turbulente, effets diphasiques. La particularite des moteurs a propergol solide est I'integration dam leur formulation de particules metalliques hautement energetiques dans le but d'augmenter leurs performances globales. Par contre, la presence de ces particules a aussi des inconvenients: apres sa combustion, la particule est formee de son oxyde liquide qui, par accumulation, peut soit creer un film sur la tuyere, donc entrainer des degradations et des pertes de performances du moteur, soit creer un depp6t dont la masse est de l'ordre de la tonne (booster Ariane V) ce qui entraine une baisse de la charge utile. C'est pourquoi pour simuler ces effets, en vue de les corriger, il est necessaire de calculer 1'6coulement diphasique interne. Les trajectoires des particules etant fortement liees a la masse, donc au diametre, il est necessaire avant toute chose, de connaitre les processus de variation du diametre qui sont essentiellement des processus de combustion, ici en phase vapeur.Les effets entre les phases gazeuse et dispersee (cette derniere etant formee par les particules) qui doivent 6tre pris en compte sont l'echange de chaleur conductif, les transferts de masse et de chaleur dus a la combustion des particules.L'objet du present travail consiste, apres une an...

Potential energy surfaces for the Al+O2 reaction

“…Most of the theoretical and experimental works on aluminum combustion available in the literature [3][4][5] deal with the combustion of metallic aluminum. While some thermodynamic data provided in those studies are also relevant for the reaction of isolated Al atoms with oxygen, there are some important differences between these two processes that render most of the conclusions made regarding the combustion of solid Al inapplicable to the present study.…”

“…[3][4][5][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16] Most of these works focus on the electronic structure and properties of Al oxides and not on the reaction mechanisms leading to their formation. An exception is the theoretical study by Marshall et al,4 that provides some information about the thermochemistry and kinetics of the AlϩO 2 reaction.…”

Improvements of the base bleed effect using reactive particles

“…More details about this complete model can be found in [24,25]. The particles phase (dispersed phase) as well as the gaseous phase are described by a set of partial differential equations representing the mass, momentum and energy conservation laws.…”

“…The mass transfer within the dispersed phase is modeled through the termω p,i whileΓ p−g,i represent the mass transfer between the gas and the particles due to the aluminum combustion. The model we use for the aluminum combustion is a development of the Law's model (1973) that was presented in [24,25].…”