Dans un moteur-fusée à ergols liquides, la compréhension de l'atomisation du carburant lors de l'injection est une étape importante pour perfectionner la combustion. Post-doctorant à l’Onera, après une formation d’ingénieur MatMeca à Bordeaux et une thèse à l’Ensam de Paris, Jean-Christophe Hoarau a élaboré une simulation numérique ultra-pointue pour mieux analyser et saisir ce phénomène. En compagnie des chercheurs Luc-Henri Dorey, Jean-Luc Estivalezes, David Zuzio et Florian Granger, il a décroché la première place au classement du Prix Joseph Fourier, décerné par Atos et le Grand équipement national de calcul intensif (Genci). Désormais employé au département multi-physique pour l’énergétique au sein de l’Onera, Jean-Christophe Hoarau décrit sa méthode et ses résultats.
Industrie et Technologies : vous venez de remporter le premier prix Joseph Fourier pour vos calculs avancés sur l’atomisation des jets liquides. Pourquoi avez-vous cherché à simuler cet effet ?
Jean-Christophe Hoarau : J’avais l’envie de travailler sur les phénomènes complexes se manifestant dans une chambre de combustion, dont l’atomisation, assez mal comprise car très difficile à observer expérimentalement. D’où l’intérêt de la simulation. L’interface entre les phases liquide et gazeuse produites par l’atomisation se révèle particulièrement difficile à représenter. Cependant, la méthode de capture d’interface que nous avons utilisée permet de simuler de façon très précise son évolution. Le but est d’améliorer la compréhension des phénomènes physiques en jeu dans une chambre de combustion de moteur fusée. Cela permettra à terme d’améliorer leurs rendements en optimisant la création de gouttelettes lors de l’injection de carburant liquide.
Pouvez-vous expliquer votre méthode ?
Avec les chercheurs de l’Onera, nous avons d’abord sélectionné une géométrie d’injecteur coaxial utilisé dans les moteurs de fusée, car de précédentes expériences pouvaient servir de points de comparaisons. Ensuite, l’objectif était de représenter aussi fidèlement que possible le mélange d’hydrogène gazeux et d’oxygène liquide dans une simulation d’écoulement diphasique, dans laquelle la géométrie de l’interface physique est reconstruite avec précision. Notre modèle se base uniquement sur les équations de Navier-Stockes qui régissent la dynamique des fluides incompressibles. On veut comprendre comment les gouttelettes évoluent dans l’espace, se transforment, se rompent…
Comment, dans le détail, avez-vous réalisé les calculs nécessaires à cette simulation ?
A mon arrivée à l’Onera, j’avais l’intention d’accomplir cette simulation sur un PC de bureau. Mais j’ai pris conscience des ressources logicielles et matérielles mises à disposition par l’Onera et ses partenaires : le code de recherche DyJeat, développé par l’Onera, ainsi que le supercalculateur Topaze, conçu par Atos et opéré par le Centre de calcul recherche et technologie (CCRT). J’ai eu la chance de participer à la phase de test de Topaze, au cours de l’été 2021, et d’avoir accès aux trois quarts de sa puissance. La simulation a pu être exécutée sur un maximum de 86000 cœurs, durant quatre mois. Soit un total de 40 millions d’heures de calcul.
Quels sont les résultats de ces calculs et les gains attendus ?
Nous avons abouti à une simulation numérique dont le niveau de détails est, à ma connaissance, sans précédent : le maillage spatial compte trois milliards de points, assez pour discrétiser les plus fines gouttelettes, et les données générées pèsent plus de 40 téraoctets. Cette référence permet de calibrer de futurs modèles d’atomisation pour simuler plus efficacement la combustion et minimiser l’usage de carburant. Les gains sont encore difficiles à estimer car il s’agit de recherche fondamentale. C’est le rôle de l’Onera : de la recherche très en amont au service des progrès technologiques de demain.
