Direct numerical simulation of a subcritical coaxial injection in fiber regime using sharp interface reconstruction - DMPE ONERA
Article Dans Une Revue International Journal of Multiphase Flow Année : 2024

Direct numerical simulation of a subcritical coaxial injection in fiber regime using sharp interface reconstruction

Simulation numérique directe d'une injection coaxiale sous-critique en régime fibreux à l'aide d'une reconstruction affûtée de l'interface

Résumé

The numerical simulation of space launchers combustion chambers is a topic of increasing interest, as it may help the development of safer and more efficient designs. Understanding fuel injection is a particularly severe challenge. The liquid oxygen is injected by a round orifice surrounded by an annular gaseous stream of fuel, leading in sub-critical conditions to a two-phase assisted atomization process. The result of this process is a very dense and polydisperse two-phase flow, which strongly influences the behaviour of the chamber. Experimental investigation of this flow is difficult due to the axisymmetric geometry and the dense characteristic of the spray. Neither RANS nor Large Eddy Simulation (LES) do possess reliable models able to reproduce the smallest scales of atomization, one of the reasons being the lack of relevant experimental data. The objective of this work is therefore to provide detailed information on the atomization process using Direct Numerical Simulation. This paper presents a DNS simulation of a coaxial liquid-gas assisted atomization in the typical fiber-regime encountered in cryogenic injectors. The objective of this study is to better understand the liquid topology evolution, and to extract relevant information which may help the development of larger scale models. The simulation realised on more than 80 000 cores, allowed the resolution of structures as small as 1/80 of the jet diameter. The flow was analysed at first in terms of topology statistical data, using a dedicated detection and classification algorithm able to characterise the individual liquid structures. These include the main liquid dart, the ligament created during primary atomization and the spherical droplet obtained at the end of the atomization process. Subsequently, a more global statistical topology indicator was investigated, namely the interface density distribution. This quantity is nowadays used in larger scale RANS or LES models to predict the smallest scales of atomization, and it is therefore of the utmost importance to understand its behaviour on a realistic case. The interface density distribution was correlated to the global jet behaviour and the liquid topology data obtained by the detection algorithm. The results showed, in particular, a strong correlation between the initial increase of liquidgas interface density with the generation of ligaments and between the continuous decrease of the interface density during droplets formation and stabilization.
La simulation numérique des chambres de combustion de lanceurs spatiaux est un thème qui présente un intérêt grandissant car elle peut contribuer à la mise au point de concepts plus fiables et plus efficaces. L'oxygène liquide est injecté par un orifice rond entouré d'un flux gazeux annulaire de carburant, ce qui conduit, dans des conditions sous-critiques, à un processus d'atomisation assistée diphasique. Le résultat de ce processus est un écoulement diphasique très dense et polydispersé, qui influence fortement le comportement des chambres. L'étude expérimentale d'un tel écoulement est difficile en raison de la géométrie axisymétrique et de la densité du spray. Les simulations RANS ou LES (Large Eddy Simulation) ne disposent pas encore de modèles fiables capables de reproduire les plus petites échelles de l'atomisation, l'une des raisons étant le manque de données expérimentales pertinentes dans cette zone de l'écoulement. L'objectif de ce travail est donc de fournir des informations détaillées sur le processus d'atomisation en utilisant la simulation numérique directe. Cet article présente donc une simulation DNS d'une atomisation coaxiale liquide-gaz assistée en régime de fibre typique d'un injecteur cryogénique de moteur fusée. L'objectif de cette étude est de mieux comprendre l'évolution de la topologie du liquide et d'extraire des informations pertinentes qui pourront contribuer au développement de modèles aux grandes échelles. La simulation réalisée sur plus de 80 000 cœurs CPU a permis la résolution de structures aussi petites que 1/80 du diamètre du jet. Tout d'abord, la topologie de l'écoulement a été statistiquement analysée à l'aide d'un algorithme de détection et de classification spécifique capable de caractériser les structures liquides individuellement. Ces dernières comprennent le cœur liquide principal, les ligaments créés pendant l'atomisation primaire et les gouttelettes sphériques obtenues à la fin du processus d'atomisation. Ensuite, un autre indicateur plus global de la topologie a été étudié, à savoir la distribution de la densité de l'interface. Cette quantité est aujourd'hui utilisée par des modèles RANS ou LES dans des simulations à plus grande échelle pour prédire les plus petites échelles d'atomisation, il est donc primordial de comprendre son comportement dans un cas réaliste. La distribution de la densité d'interface a été corrélée au comportement global du jet et aux données sur la topologie du liquide obtenues avec l'algorithme de détection. En particulier, les résultats ont montré une forte corrélation entre l'augmentation initiale de la densité d'interface liquide-gaz avec la génération de ligaments et entre la diminution continue de la densité de l'interface au cours de la formation et de la stabilisation des gouttelettes sphériques.
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Dates et versions

hal-04212765 , version 1 (20-09-2023)
hal-04212765 , version 2 (16-02-2024)
hal-04212765 , version 3 (02-09-2024)

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Citer

Jean-Christophe Hoarau, Luc-Henry Dorey, Davide Zuzio, Florian Granger, Jean-Luc Estivalezes. Direct numerical simulation of a subcritical coaxial injection in fiber regime using sharp interface reconstruction. International Journal of Multiphase Flow, 2024, 180, pp.104974. ⟨10.1016/j.ijmultiphaseflow.2024.104974⟩. ⟨hal-04212765v3⟩
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