Effect of the fluid–structure interaction on solid rocket motors instabilities

Abstract

Large solid propellant rocket motors may be subjected to aero-acoustic instabilities arising from a coupling between the burnt gas flow and the acoustic eigenmodes of the combustion chamber. Given the size and cost of any single firing test or launch, it is of first importance to predict and avoid these instabilities at the design level. The main purpose of this paper is to build a numerical tool in order to evaluate how the coupling of the fluid flow and the whole structure of the motor influences the amplitude of the aero-acoustic oscillations living inside of the rocket. A particular attention was paid to the coupling algorithm between the fluid and the solid solvers in order to ensure the best energy conservation through the interface. A computation of a subscaled version of the Ariane 5 solid propellant engine is presented as illustration.

Les moteurs à propergol solide sont parfois le siège d’instabilités aéro-acoustiques résultant d’un couplage entre l’hydrodynamique des gaz brûlés et les modes acoustiques de la chambre de combustion. Au vu du coût d’un essai, il est important de pouvoir prédire l’apparition de ces instabilités au moment de la conception. L’ objectif de cette étude est la mise au point d’une chaîne de couplage permettant d’évaluer l’impact des interactions fluide-structure sur l’amplitude des oscillations aéroacoustique présentes au sein du propulseur. Une attention particulière a été portée à l’algorithme de couplage entre les solveurs fluide et solide afin d’assurer une bonne conservation de l’énergie à l’interface fluide-structure. Une simulation d’une échelle réduite du moteur d’Ariane 5 est présentée comme illustration.

Keywords:

• large eddy simulation
• Arbitrary Lagrangian Eulerian method
• fluid–structure interaction

Mots-clés:

• simulation aux grandes echelles
• maillage mobile
• interactions fuilde-structure

Acknowledgements

This work was granted access to the HPC resources of CINES under the allocation 2011-c2011026401 made by GENCI (Grand Equipement National de Calcul Intensif). The authors would like to thank Dr. Duchaine F., Jauré S. from CERFACS and Autrusson N., Bandelier E., Pevergne T. from Snecma Propulsion Solide for their help during the course of this study.