Experimental study of the transient filling of the liquid oxygen dome of the VINCI rocket engine

Under the supervision of SNECMA, a new cryotechnic engine is being developed for Ariane 5. This engine, named VINCI, uses liquid oxygen and liquid hydrogen as propellant. It must be re-ignitable in flight. The filling transitory phase of an intermediate tank where the liquid oxygen passes through before entering the combustion chamber, has proved to be a very important stage that must be handled. This tank, called LOX dome, is directly linked to the combustion chamber through the oxygen injectors. Numerical tools are currently under development. They will allow to simulate the filling of this tank in the space. In order to validate those numerical tools, an experimental program has been launched. It involves SNECMA, the CNES (Centre National d'Etudes Spatiales : National Centre for Spatial Studies) and the LEGI (Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels : Laboratory of Geophysical and Industrial Flows). Simple and repeatable experiments must be run. They will allow to gather experimental data that will further be used as test cases for the simulations. A test bench has been brought into service step by step at the LEGI, as well as scientific instruments. Water is used in place of liquid oxygen. A similarity of flows based on the Weber number has been chosen between the real case and the experiment. The Weber number measures the relative importance of the fluid inertia compared to its surface tension. Two experimental campaigns have been realized, that have focused on the dynamic aspects of the filling transitory phase : variations of the total flow and of the pressures measured during an experiment, evaluation of the void fraction in the tank, flow visualization in the tank and at the outlet of the injectors. The scientific instrumentation used is made of a Coriolis flow-meter, pressure probes, an optical probe, and high speed cameras with a laser for the flow visualization. The first experimental campaign has studied the tank filling with water only. The main control parameter is the reference pressure of the liquid flow. In the second campaign, both liquid and air flows are simultaneously injected in the tank. It aims at reproducing the real conditions of the filling transitory phase, where helium is injected in the tank with the liquid oxygen. The additional control parameter is the initial gas flow. Those campaigns have shown as well the importance of the valve opening that controls the liquid flow. Those campaigns are a first step in the understanding of the filling transitory phase of the LOX dome. They have permitted to visualize the flow in the tank and at the outlet of the injectors and to point out some important phenomena occurring during the tank filling. In particular, they have highlighted the existence of a delay before the flow can develop through the injectors. This delay can be responsible for a pressure peak in the tank during the transitory phase. The influence of the gas fraction on the flow through the injectors has been underlined as well but still must be accurately quantified. The next step of the study concerns the energetics of the filling transitory phase, especially the thermal transfers that occur between the helium, the oxygen and the walls of the tank.
Sous la direction de SNECMA, un nouveau moteur cryotechnique pour Ariane 5 est en phase de développement. Ce moteur, VINCI, fonctionne à l'oxygène et à l'hydrogène liquides et devra être rallumable en cours de vol. Le transitoire de remplissage d'une cavité intermédiaire par laquelle transite l'oxygène liquide avant d'arriver dans la chambre de combustion s'avère être une étape critique qu'il faut s'efforcer de maîtriser. Cette cavité, appelée dôme LOX, est directement reliée à la chambre de combustion par les injecteurs à oxygène. Des outils numériques sont actuellement en cours de conception : ils permettront à terme de simuler le remplissage de cette cavité dans l'espace. Afin de valider ces outils numériques, un programme expérimental a vu le jour, impliquant SNECMA, le CNES (Centre National d'Etudes Spatiales) et le LEGI (Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels). Il s'agit de mener à bien des expériences « simples » et reproductibles afin de disposer d'une base de données expérimentales qui servira de cas tests pour les simulations. Un banc d'essais expérimental a été progressivement mis en place et instrumenté au LEGI. Le fluide utilisé en substitution de l'oxygène liquide est de l'eau. On a choisi de respecter une similitude du nombre de Weber entre le cas « réel » et les conditions expérimentales. Ce dernier équivaut au rapport des forces d'inertie sur les forces de tension de surface. Deux campagnes d'essais ont été réalisées, dans lesquelles on s'est centré sur l'étude des aspects hydrodynamique du transitoire de remplissage : variation du débit total et des pressions au cours d'un essai, évaluation du taux de vide dans la cavité, visualisation de l'écoulement dans la cavité et en sortie des injecteurs. L'instrumentation à disposition est constituée d'un débitmètre à effet Coriolis, de capteurs de pression, d'une sonde optique, de caméras rapides et d'un laser pour l'imagerie. La première campagne d'essais a visé le remplissage de la cavité en eau seule. Le paramètre de contrôle principal était la pression génératrice de l'écoulement liquide. Dans la deuxième campagne d'essais on injecte simultanément dans la cavité un écoulement d'eau et un écoulement d'air. Cela se rapproche plus des conditions réelles du transitoire de remplissage, au cours duquel la cavité est balayée par un écoulement d'hélium. Le paramètre de contrôle supplémentaire est le débit de gaz initial. Ces campagnes ont également souligné l'importance du profil d'ouverture de la vanne de l'écoulement liquide sur le transitoire de remplissage de la cavité. Ces campagnes d'essais constituent une première étape dans la compréhension du transitoire de remplissage du dôme LOX. Elles ont permis de visualiser la forme de l'écoulement dans la cavité et en sortie des injecteurs et d'identifier certains phénomènes intervenant dans le remplissage de la cavité. En particulier, nous avons mis en évidence l'existence d'un délai de mise en place de l'écoulement par les injecteurs, qui peut être responsable d'un pic de pression dans la cavité au cours du transitoire. L'influence de la fraction gazeuse sur l'écoulement dans les injecteurs a été soulignée mais reste à quantifier de façon précise. La prochaine étape de l'étude concerne les aspects énergétiques du transitoire de remplissage, notamment les transferts thermiques ayant lieu, dans la réalité, entre l'hélium, l'oxygène et les parois du dôme LOX.