Simulation numérique et modélisation des instabilités de combustion dans les moteurs-fusées de nouvelle génération // Numerical simulation and modeling of combustion instabilities in next-generation rocket engines

Ce projet doctoral aborde un défi scientifique crucial pour la propulsion spatiale : les instabilités de combustion dans les moteurs-fusées à ergols liquides. Ces instabilités, caractérisées par des oscillations de pression à haute fréquence (20 à 30 % de la pression moyenne), résultent du couplage entre les modes acoustiques de la chambre de combustion et la libération instationnaire de chaleur. Elles engendrent des contraintes mécaniques et thermiques excessives, risquant de compromettre la mission. Leur maîtrise est donc essentielle pour concevoir des moteurs plus performants et fiables, en phase avec les exigences des lanceurs actuels et futurs.

L'originalité du projet réside dans son approche intégrée, combinant simulation haute-fidélité, exploitation de données expérimentales et modélisation d'ordre réduit. L'objectif est d'intégrer les mécanismes physiques des instabilités dans le code StaHF, développé conjointement par le CNRS, le CNES et ArianeGroup. Ce code, validé par des simulations aux grandes échelles et des données expérimentales issues de bancs cryotechniques, permet aujourd'hui à ArianeGroup une prédiction robuste des instabilités en phase de conception.

Le programme de travail se structure en trois axes. Le premier consiste en une analyse critique des mécanismes de couplage acoustique/flamme et d'amortissement, comparés à des simulations haute-fidélité. Le deuxième axe vise à poursuivre le développement de cette méthodologie d'ordre réduit pour prédire les instabilités dans des moteurs réels, validée par des données de la littérature. Enfin, le troisième axe évaluera la robustesse et la sensibilité de l'outil, en analysant ses incertitudes pour une utilisation en ingénierie.

Le doctorant bénéficiera d'un environnement pluridisciplinaire, acquérant des compétences en modélisation physique, validation expérimentale et développement d'outils numériques. Ces compétences, essentielles pour le secteur spatial, seront valorisées par des publications dans des revues internationales et des communications lors de conférences majeures (AIAA, EUCASS, Space Propulsion).

Le projet s'appuiera sur des ressources de calcul haute performance, des données expérimentales et un encadrement conjoint de Sébastien Ducruix et Thomas Schmitt, Chargé de Recherche au CNRS. Un cofinancement a été demandé à l'Académie Spatiale d'Ile-de-France lors de son dernier appel, complété par un soutien du CNES et d'ArianeGroup.
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This PhD project addresses a critical scientific challenge in space propulsion: combustion instabilities in liquid-propellant rocket engines. These instabilities, characterized by high-frequency pressure oscillations (reaching 20–30% of the mean chamber pressure), arise from the coupling between acoustic modes in the combustion chamber and unsteady heat release. They generate excessive mechanical and thermal stresses, potentially compromising mission success. Mastering these instabilities is therefore essential for designing higher-performance, more reliable engines that meet the demands of current and future launchers.

The project's originality lies in its integrated approach, combining high-fidelity simulations, experimental data analysis, and reduced-order modeling. The goal is to embed the physical mechanisms of these instabilities into the StaHF code, jointly developed by CNRS, CNES, and ArianeGroup. Validated through large-eddy simulations and experimental data from cryogenic test benches, this code now enables ArianeGroup to make robust predictions of instabilities during the engine design phase.

The research program is structured around three key objectives. First, it involves a critical analysis of acoustic/flame coupling and damping mechanisms, benchmarked against high-fidelity simulations. Second, it aims to further develop reduced-order modeling techniques for predicting instabilities in real engines, validated using literature data. Finally, the third objective assesses the tool's robustness and sensitivity, analysing uncertainties to ensure its suitability for engineering applications.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Contrats ED : Programme blanc GS-SIS

Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes

579 Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences

Nous recherchons des personnes très motivées, engagées et créatives, capables de travailler en équipe et dotées d'excellentes capacités de communication. Travaillant dans un environnement de recherche de haut niveau avec une infrastructure de laboratoire avancée, vous aurez une occasion unique de développer vos capacités de recherche. Vous devez être titulaire d'une excellente maîtrise ou d'un diplôme d'école d'ingénieurs en génie mécanique, combustion, énergétique ou physique. Vous avez le goût de la modélisation et de l'analyse physique. Idéalement, vous avez de l'expérience et des résultats probants dans un ou plusieurs des domaines suivants : Transfert de chaleur, dynamique des fluides, combustion, simulation numérique. Des connaissances supplémentaires dans le domaine du traitement des données et de l'analyse statistique seront utiles.
We are looking for highly motivated, committed, and creative individuals, able to work in a team and with excellent communication skills. Working in a top-level research environment with advanced laboratory infrastructure, you will have a unique opportunity to develop your research abilities. You are expected to have an excellent MSc or Engineer School degree in mechanical engineering, combustion, energetics, or physics. You have an appetency for modelling and physical analysis. Ideally, you have experience and a proven track record in one or more of the following areas: Heat transfer, fluid dynamics, combustion, numerical simulation. Additional knowledge in the field of data process and statistical analysis will be beneficial.