Limite dans la caractérisation expérimentale de l’aluminium en conditions re- re-présentatives

A ce stade il est intéressant de résumer les phénomènes introduits dans ce chapitre avant d’ap-préhender leur étude expérimentale. LesMPSvoient leurs performances améliorées par la pré-sence de particules d’aluminium dans leur chargement, permettant d’augmenter la température de l’écoulement en libérant de l’énergie durant leur combustion. Cependant, ce dégagement de chaleur peut interagir avec l’acoustique de la chambre de combustion et entraîner desITHAC, néfastes pour le propulseur.

LaCFDtente de prédire la région de l’écoulement où brûlent les gouttes d’aluminium, qui est dépendante de la taille et de la vitesse des gouttes d’aluminium au moment où elles quittent la surface du propergol, ainsi que de leur temps de combustion. Toutefois, les tentatives restent liées à de fortes incertitudes du fait des données disponibles et des données existantes. Des efforts sont réalisés depuis plusieurs années pour obtenir un modèle de combustion de goutte d’aluminium dans une atmosphère propergol à la fois réaliste et utilisable pour des géométries industrielles. La vitesse des gouttes quittant la surface du propergol est souvent estimée de façon approximative. La taille des gouttes d’aluminium dans l’écoulement n’est pas directement la taille initiale des parti-cules à cause des phénomènes d’agglomération dans et à la surface du propergol. De plus, réaliser des mesures sur les gouttes d’aluminium à l’intérieur d’une chambre de combustion pendant un tir, même sur un démonstrateur, s’avère aujourd’hui impossible à cause des conditions extrêmes présentes dans la chambre, et de l’impossibilité d’éteindre la combustion une fois démarrée. Ce-pendant des alternatives ont été trouvées pour réaliser des mesures sur les gouttes d’aluminium en combustion, et font l’objet de cette sous-section.

CHAPITRE 1. PROBLÉMATIQUE DE LA COMBUSTION DES GOUTTES D’ALUMINIUM EN PROPULSION SOLIDE

Captation des gouttes d’aluminium dans l’écoulement

Il existe principalement deux approches permettant de réaliser des mesures sur les gouttes d’aluminium en combustion dans des atmosphères propergol. La première approche est de cap-turer les gouttes dans l’écoulement par un dispositif mécanique. Cette approche est délicate à exploiter car les particules collectées sont difficile à identifier : elles peuvent aussi bien être des gouttes d’aluminium n’étant pas encore en combustion que des gouttes en combustion, ou encore des résidus d’alumine. De plus, il faut être capable de stopper la combustion des gouttes une fois capturées, ce qui rajoute une difficulté supplémentaire à ce type d’analyse. La seconde approche est de visualiser les gouttes d’aluminium en combustion issues de la combustion du propergol. Même si cette approche possède l’avantage d’être non intrusive, elle est difficile à mettre en œuvre lorsque l’on souhaite se rapprocher des conditions réelles des essais pour plusieurs raisons :

— les pressions d’essais élevées ;

— le rayonnement intense des flammes issues de la combustion du propergol, ou encore des gouttes d’aluminium elles-mêmes ;

— la taille micrométrique des gouttes d’aluminium ; — la vitesse importante des gouttes d’aluminium ;

— les méthodes souvent peu systématiques pour réaliser des analyses quantitatives des gouttes à partir des données expérimentales.

La méthode de mesure des gouttes d’aluminium utilisée dans la thèse utilise l’approche par visualisation, nous ne mettrons donc pas plus l’accent sur les approches par captation. Les ap-proches par visualisation diffèrent par les méthodes utilisées, les conditions d’essais ainsi que les échantillons étudiés. Nous tentons de résumer chronologiquement les principales études réali-sées ainsi que les moyens expérimentaux développés ci-dessous.

Premiers travaux de visualisation de la combustion de gouttes d’aluminium

Parmi les premières études expérimentales réalisées sur la combustion de l’aluminium dans le contexte desMPSse trouvent les études deWILSONJRet WILLIAMS(1971) etPRENTICE(1974).

WILSONJRet WILLIAMS(1971) étudient le temps de combustion d’une goutte d’aluminium dans

une atmosphère contrôlée (Ar /O2), pour des pressions comprises entre 1 atm et 5 atm. Pour cela ils suspendent une particule d’aluminium de diamètre compris entre 20µm et 100 µm à une fibre dans la partie haute d’une chambre de combustion disposée verticalement. La combustion de la goutte d’aluminium est initiée par un laser, qui lui permet de se libérer de la fibre et de tomber en chute libre, attirée par la gravité terrestre. Durant sa chute, la goutte d’aluminium est filmée par une caméra rapide à une cadence d’acquisition allant jusqu’à 44 kHz. De cette façon, le temps de combustion des gouttes d’aluminium peut être évalué afin de déterminer par régression le co-efficient n de la loi de combustion en dⁿ qu’ils estiment entre 1,5 et 2. Plusieurs auteurs se sont intéressés à étudier des gouttes d’aluminium en chute libre dans une chambre de combustion. Le principal intérêt de cette méthode est que les gouttes n’interagissent pas avec un support qui viendrait les toucher.

PRENTICE(1974) utilise la même type de méthode, à savoir mesurer une goutte d’aluminium

en combustion qui chute dans une chambre de combustion. Celui-ci réalise des mesures à l’aide d’une caméra rapide (dont la cadence d’acquisition n’est pas indiquée) ainsi que d’un photomul-tiplicateur placé derrière un filtre passe-bande. L’auteur s’intéresse à la mesure du temps de com-bustion d’une goutte d’aluminium de grand diamètre (compris entre 250µm et 400 µm), isolée en combustion dans différentes atmosphères de N2/O2, Ar /O2et CO2/O2, avec la particularité de réaliser des mesures dans des atmosphères sèches et humides à pression ambiante. Il constate qu’en plus du type d’atmosphère, le niveau d’humidité a un impact sur le temps de combustion mais aussi sur les phénomènes de fragmentation de la goutte pendant sa combustion.

CHAPITRE 1. PROBLÉMATIQUE DE LA COMBUSTION DES GOUTTES D’ALUMINIUM EN PROPULSION SOLIDE Un peu plus tard,PRICEet collab.(1982) réalisent une étude sur la combustion des gouttes d’aluminium dans une atmosphère propergol. L’objectif de cette étude est de comprendre les in-teractions entre les constituants d’un propergol composite et la combustion des gouttes d’alumi-nium en faisant varier la pression (comprise entre 0.7 MPa et 6.9 MPa), la taille des gouttes (com-prise entre 5µm et 40 µm), la fraction massique du propergol (comprise entre 18 % et 25 %) ainsi que sa composition. L’originalité de cette étude est qu’elle utilise à la fois une méthode par visua-lisation avec une caméra rapide (4 kHz) et une méthode de captation. Afin de se rendre compte de l’évolution des diagnostiques optiques au fil des années, des exemples d’images expérimentales issues des études réalisées avant 1990 sont affichés sur la figure1.13.

(a) Image expérimentale issue deWILSONJRet WILLIAMS(1971).

(b) Image expérimentale issue dePRICEet col-lab.(1982).

FIGURE1.13 – Exemple d’images expérimentales d’études avant les années 1990.

Amélioration de la visualisation de la combustion de gouttes d’aluminium depuis 1990

Au cours des années 1990, un nouveau type de montage est utilisé pour étudier des gouttes d’aluminium en combustion en atmosphère contrôlée. Ce montage utilise le principe de la lévita-tion pour empêcher tout contact de la goutte d’aluminium avec un objet solide, c’est-à-dire que la goutte d’aluminium est maintenue en lévitation en compensant la gravité par une force pou-vant être électrostatique, aérodynamique, magnétique, etc.MARION et collab.(1996) étudient le temps de combustion de goutte d’aluminium dont le diamètre est compris entre 20µm et 100 µm, en lévitation par un système électrodynamique. L’allumage par laser ainsi que l’observation avec une caméra rapide (cadence d’acquisition 4 kHz) des gouttes en lévitation se retrouvent simpli-fiés par rapport aux méthodes où la goutte se déplace pendant la mesure, comme c’est le cas des essais des gouttes en chute libre. Ils observent une décroissance du temps de combustion avec l’augmentation de la pression d’essai comprise entre 0.1 MPa à 8 MPa.

Deux équipes de chercheurs ont continué à utiliser des montages expérimentaux de goutte en chute libre dans une chambre de combustion avec un dispositif d’allumage par laser. Les études

BUCHERet collab.(1996), BUCHERet collab.(1998) etBUCHERet collab.(1999) utilisent la Pla-nar Laser-Induced Fluorescence (PLIF)à une cadence d’acquisition de 1 kHz comme diagnos-tique opdiagnos-tique pour estimer la concentration de l’espèce Al O ainsi que le profil de température entre la goutte et la flamme. Ces études sont menées dans une gamme de pression comprise entre une et trois fois la pression atmosphérique sur des gouttes de 127µm, 210 µm et 230 µm dans de l’air et des atmosphères N2/O2, Ar /O2et CO2. Les étudesZENINet collab.(1999) etZENINet col-lab.(2000) s’intéressent au temps de combustion des gouttes d’aluminium dans les atmosphères N2/O2, Ar /O2et CO2/O2, ainsi qu’à la taille des résidus d’alumine. Très peu d’informations sont

CHAPITRE 1. PROBLÉMATIQUE DE LA COMBUSTION DES GOUTTES D’ALUMINIUM EN PROPULSION SOLIDE

données sur le dispositif d’acquisition des images, précisant uniquement l’utilisation d’une ca-méra rapide et d’un moyen de collecter les résidus d’alumine. L’étudeZENINet collab.(1999) est réalisée en zero-gravité pour des pressions allant de 1 atm à 70 atm et des diamètres de gouttes compris entre 185µm et 350 µm. L’étudeZENINet collab.(2000) s’intéresse plus particulièrement à la contribution de la convection sur la combustion des gouttes d’aluminium. Les diamètres de gouttes étudiées sont compris entre 200µm et 500 µm pour des pressions variant entre 1 atm et 40 atm.

Les deux thèses LEGRAND (2000) et SAROU-KANIAN (2003) réalisées à l’université d’Orléans prennent la suite des travaux réalisés durant la thèse deMARION (1996) sur la combustion de goutte d’aluminium maintenue en lévitation par le dispositif expérimental présenté plus haut pour des pressions allant de 0,1 MPa à 1 MPa.LEGRAND (2000) étudie les atmosphères O2/Ar , CO₂/Ar , O₂/CO₂ainsi que des mélanges comprenant la présence de chlorure d’hydrogène (HCl ) pour des gouttes de diamètres compris entre 30µm et 150 µm. La thèse deSAROU-KANIAN(2003) met l’accent sur les phénomènes de convection pendant la combustion dans des atmosphères mixtes comprenant de l’H2O, pour des gouttes de diamètres plus importants, compris entre 2,5 mm et 3,4 mm. Un exemple d’images issues de la thèse deSAROU-KANIAN(2003) est présenté sur la fi-gure1.14où on peut voir la formation de la calotte d’alumine sur la goutte durant le processus d’inflammation dans une atmosphère de 100% d’H2O.

FIGURE1.14 – Images du processus d’inflammation d’une goutte d’aluminium dans une atmosphère 100 % H₂O issues de la thèse deSAROU-KANIAN(2003).

Plus récemment,HARRISONet BREWSTER(2009) étudient le rayonnement dans l’infra-rouge des gouttes d’aluminium en combustion dans une atmosphère de gaz de propergol combustion comprise dans une gamme de pression allant de 1 atm à 5 atm. Ils proposent un modèle théo-rique d’émission de goutte qu’ils comparent aux profils d’émission de goutte mesurés dans l’infra-rouge. Les mesures d’intensité spectrale permettent d’obtenir des diamètres de gouttes compris entre 100µm et 400 µm ainsi que la taille visible du lobe alumine. L’année suivante,GILLet col-lab.(2010) s’intéressent à déterminer le temps de combustion d’une petite goutte d’aluminium

CHAPITRE 1. PROBLÉMATIQUE DE LA COMBUSTION DES GOUTTES D’ALUMINIUM EN PROPULSION SOLIDE (diamètre compris entre 10µm et 14 µm) au travers d’un montage expérimental original. Celui-ci permet d’étudier une goutte d’aluminium injectée depuis un générateur de particule dans la chambre de combustion. La combustion de la particule est initiée par un laser croisant la trajec-toire de la particule, comme dans le cas des montages expérimentaux étudiant les gouttes en chute libre. Deux photomultiplicateurs sont utilisés pour mesurer la taille de la particule au moment de l’injection dans la chambre de combustion, et la durée pendant laquelle elle est en combustion. Les études sont réalisées dans des atmosphères N2/O2, N2/CO2et N2/H2O à pression atmosphé-rique.

Études récentes sur la visualisation de la combustion de gouttes d’aluminium

Nous finirons cette bibliographie par des études réalisées durant ces 4 dernières années.

LIUet collab.(2015) utilisent un montage expérimental permettant de visualiser avec une ca-méra rapide (cadence d’acquisition 1 kHz) la surface d’un échantillon de propergol en combus-tion. L’image1.15areprésente un exemple de visualisation avec ce montage. L’étude cherche à obtenir des données quantitatives sur les agglomérats en estimant la taille ainsi que la vitesse des gouttes quittant la surface du propergol pour des pressions d’essais de 1 MPa, 3 MPa et 5 MPa. Très peu d’informations sont données sur le montage optique ainsi que les méthodes d’analyse permettant de réaliser les mesures. Les résultats des mesures indiquent des tailles de gouttes com-prises entre 150µm et 450 µm pour des vitesses allant 0.1 m/s à 1 m/s proches de la surface.

FENGet collab.(2016) réalisent des mesures sur la taille d’une goutte d’aluminium en combus-tion de diamètre compris entre 100µm et 300 µm dans de l’air à pression ambiante. L’originalité de la méthode vient de la présence d’un câble d’aluminium à la place des particules habituellement étudiées. Le câble est ajusté entre deux supports pour être dans la trajectoire de tir du laser ainsi que dans le champ de visualisation du montage expérimental. La visualisation est réalisée dans le visible et est assurée par une caméra rapide dont la cadence d’acquisition est de 1.1 kHz. Le laser chauffe le câble d’aluminium, qui finit par s’enflammer et se scinder en deux parties. L’aluminium en combustion se rétracte à cause des tensions surfaciques pour former une goutte d’aluminium sur une des extrémités du câble. L’image1.15billustre une des extrémités du câble en combustion qui s’est rétracté pour former une gouttes d’aluminium en combustion.

CHENet collab.(2017) développent un montage expérimental permettant de mesurer la taille, la vitesse ainsi que la température des gouttes d’aluminium quittant la surface d’un échantillon de propergol en combustion pour des pressions proches de la pression atmosphérique. Le montage optique dispose d’un pyromètre bi-couleur permettant de mesurer la température des particules et d’une caméra pour la mesure par holographie travaillant en double exposition dont la cadence d’acquisition est de 45 Hz. Cette seconde caméra permet d’obtenir la taille ainsi que la vitesse des gouttes d’aluminium dans l’écoulement, dont les diamètres sont mesurés entre 15µm et 900 µm. L’image1.15creprésente un exemple d’acquisition avec le montage expérimental développé par

CHENet collab.(2017).

BRACONNIERet collab.(2018) étudient le temps de combustion d’une goutte de diamètre com-pris entre 60µm et 100 µm en lévitation dans des proportions variables de O2/N2/Ar entre 0.1 MPa et 3.1 MPa. Un exemple d’image expérimentale d’une goutte d’aluminium en combustion est vi-sible sur la figure1.15d.

CHAPITRE 1. PROBLÉMATIQUE DE LA COMBUSTION DES GOUTTES D’ALUMINIUM EN PROPULSION SOLIDE

(a) Image expérimentale issue deLIUet collab.

(2015).

(b) Image expérimentale issue deFENGet collab.

(2016).

(c) Image expérimentale issue de CHENet col-lab.(2017).

(d) Image expérimentale issue deBRACONNIER

et collab.(2018).

CHAPITRE 1. PROBLÉMATIQUE DE LA COMBUSTION DES GOUTTES D’ALUMINIUM EN PROPULSION SOLIDE

Positionnement des travaux réalisés durant la thèse

La figure1.16synthétise sur un graphique les conditions d’essais explorées par les différents auteurs présentés dans cette section. Comme on peut le voir sur cette figure, très peu d’études sont réalisées à des pressions se rapprochant des conditions d’essais desMPS(environ 6 MPa), ou encore dans des atmosphères de gaz de propergol à cause des difficultés pour acquérir des don-nées dans ces conditions. Les études dePRICEet collab.(1982) etLIUet collab.(2015) sont celles se rapprochant le plus des conditions réelles de fonctionnement d’unMPS, cependantPRICEet col-lab.(1982) s’est plutôt intéressé à l’interaction entre les constituants d’un propergol composite et la combustion des gouttes d’aluminium, et n’a pas pu réaliser de mesure précise sur les gouttes d’aluminium en combustion à cause des moyens expérimentaux limités à cette époque. Et LIU

et collab.(2015) réalise des mesures sur des gouttes de diamètre compris entre 150µm et 450 µm, or le diamètre des particules présentes dans les compositions industrielles est inférieure à 100µm.

FIGURE1.16 – Synthèse des conditions d’essais des études expérimentales réalisées sur la combustion de gouttes d’aluminium.

FIGURE1.17 – Synthèse des conditions d’essais des études expérimentales réalisées sur la combustion de gouttes d’aluminium.

CHAPITRE 1. PROBLÉMATIQUE DE LA COMBUSTION DES GOUTTES D’ALUMINIUM EN PROPULSION SOLIDE

La figure1.17illustre les gammes de diamètre de gouttes d’aluminium en combustion étu-diées en atmosphère propergol par les auteurs de cette section, ainsi que la zone cible pour les applications spatiales représentée par l’ellipse grise. Il y a donc un manque de données quantita-tives dans la littérature sur les gouttes d’aluminium en combustion pour des conditions d’essais représentatives desMPS. Un montage expérimental, qui est détaillé dans le chapitre2, a été déve-loppé il y plusieurs années à l’ONERA afin d’étudier les gouttes d’aluminium en combustion par visualisation dans une atmosphère de gaz de propergol à des pressions supérieures à 1 MPa. Les conditions d’essais de ce montage sont représentées sur la figure1.16ainsi que la figure1.17par la zone rouge avec la légende ONERA. On peut voir que se montage permet d’étudier des gouttes de diamètre correspondant à celles utilisées dans les applications spatiales à des pressions un peu plus faibles que celles des essais réels. La présente étude s’intéresse à analyser les données issues de ce montage expérimental afin de fournir des statistiques approfondies sur les gouttes d’alumi-nium en combustion.

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