Thèse Etude de l'Influence des Propriétés Thermochimiques des Gaz Propulsifs sur la Transition et la Retransition des Régimes dans les Tuyères à Double Galbes H/F - 75

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
École doctorale : Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
Laboratoire de recherche : LMEE - Laboratoire de mécanique et d'énergétique d'Evry
Direction de la thèse : Amer CHPOUN ORCID 0000000290825668
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-21T23:59:59

L'étude proposée consiste à étudier par simulation numérique de grande résolution l'influence des propriétés thermochimiques des gaz propulsifs sur les phénomènes d'instabilités et les transition-retransition de régimes dans le divergent des tuyères à double galbe, Cette étude s'inscrit dans le contexte du développement des tuyères novatrices utilisées dans les moteurs fusés. Pour rappel une tuyère à double-galbe est constituée de deux parties différentes (deux profils différents) juxtaposées. La première partie, représentant la tuyère de base, est généralement calculée sur le principe d'une tuyère idéale tronquée (TIC) ou d'une tuyère optimisée en poussée (TOC). Cette partie de la tuyère génère un écoulement adapté pour un fonctionnement aux basses altitudes. La seconde partie de la tuyère (Tuyère d'extension) est conçue sur la base d'un profil assurant une détente à pression constante, avec un gradient de pression positif ou avec un gradient de pression négatif, selon le choix. Cette deuxième partie de la tuyère est naturellement adaptée au fonctionnement à haute altitude. On obtient ainsi une tuyère calibrée sur toutes les plages de fonctionnement (des basses altitudes vers les hautes altitudes). L'utilisation de ce double profil permet de contrôler de façon assez prédictible le phénomène de décollement, bien connu dans les tuyères. La problématique majeure des tuyères à double galbe réside dans la maîtrise de la transition entre les deux régimes de fonctionnement des deux profils de la tuyère. Cette question reste pertinente et demeure ouverte aux investigations. Les études expérimentales montrent que la transition entre ces deux régimes ne s'opère pas au point théorique optimal, mais bien en amont, ce qui occasionne une perte significative de l'impulsion spécifique. Par ailleurs, ces études ont montré également une instabilité de la transition ce qui occasionne des pics incontrôlés de charges latérales.
L'idée de ramener la transition vers le point optimal, en la retardant par soufflage d'un très faible débit de fluide secondaire (environ 1% du débit principal de la tuyère) au voisinage du point d'inflexion, a déjà fait l'objet d'études numériques et expérimentales menées conjointement par le laboratoire LMEE - Paris Saclay-Evry et l'Institut ICARE du CNRS d'Orléans. Les partenaires LMEE et l'institut ICARE du CNRS à Orléans ont d'ores et déjà un recul important sur ces phénomènes au cours des dernières années en gaz froids. Ces résultats ont confirmé la possibilité de maitriser le contrôle de la transition et ont mis en évidence une atténuation drastique des charges latérales. Un brevet international d'invention a également été déposé et protège dorénavant ce concept proposé par les auteurs. Cependant, dans les situations proches des réalités industrielles où les gaz propulsifs sont éjectés à très hautes températures, les propriétés thermochimiques ont certainement une influence majeure sur ces résultats qui reste un sujet à explorer. l
L'objectif de la thèse proposée consiste donc à mener une étude, à la fois théorique et par des simulations numériques de haute résolution de type LES, DDES, sur le contrôle de ce changement de régime par injection d'un fluide secondaire, en présence de gaz chauds. Le but est d'arriver à une compréhension fine des mécanismes qui sont à l'origine de la transition. Ces études seront complétées par l'exploitation de données sur des cas tests déjà réalisés. L'influence des propriétés thermochimiques de l'écoulement, sur la transition, sera i abordée par une étude menée à la fois sur des écoulements en fluides froids (détente de l'air) et sur des écoulements réactifs (détente des produits de combustion du mélange.

Le sujet proposé s'inscrit dans le domaine de la recherche en mécanique des fluides appliquée à la propulsion supersonique. Il se situe
dans un contexte de forte concurrence internationale sur le marché des lanceurs spatiaux. La tuyère du propulseur d'un lanceur est un
élément clé du système offrant encore une marge d'amélioration en termes de la charge utile. Ceci passe par un gain en impulsion
spécifique de la tuyère sur l'ensemble de la trajectoire de lancement ce qui est l'objectif recherché dans cette étude

La thèse présente un double objectif:
- Sur le plan théorique: comprendre les phénomènes de transition et d'instabilité (charges latérales) et leur contrôle afin d'optimiser les performances des tuyères à double
galbe.
- Sur le plan applicatif: Augmentation des charges utiles transportées par les lanceurs en assurant une meilleure fiabilité du lanceur.

Le candidat à cette thèse est appelé à être autonome dans sa démarche scientifique. Il doit avoir une formation orientée vers les domaines
aéronautique et spatial. Des connaissances dans le domaine de la dynamique des gaz (Écoulements compressibles, onde de choc, thermochimie, combustion,
aérodynamique interne....), la mécanique des fluides compressibles, la turbulence, et les écoulements réactifs seront appréciées.
L'étude théorique sera orientée vers le calcul des profils, de base et d'extension, basé sur la méthode des caractéristiques (MOC) et les
méthodes analytiques (comme celle de Rao) ainsi que sur les problématiques de la transition.
Les simulations numériques seront menées sur la plateforme OpenFoam. La pertinence des modèles de turbulence de type URANS et
DDES sera étudiée.
Par conséquent, des connaissances en langage C++, sur lequel est basé le codage du logiciel OpenFoam, et une maitrise du système
d'exploitation Linux seront nécessaires.
Dans une première phase, le doctorant renforcera ses connaissances dans le domaine des écoulements compressibles et les
problématiques liées au fonctionnement des tuyères propulsive, par une étude bibliographique approfondie. Les méthodes numériques
utilisées dans ce domaine est également abordée dans cette phase.
Dans une deuxième phase, le travail sera mené sur les deux plans:
- Simulations numérique et programmation de solveurs spécifiques sur la plateforme OpenFoam
- Analyse détaillée des résultats déjà obtenus lors des précédentes campagnes expérimentales. Cette campagne permettra d'aborder la
problématique de la charge latérale néfaste au fonctionnement de la tuyères.