Implementation of a coupled computational chain to the combustion chamber's heat transfer

par Sandrine Berger

Thèse de doctorat en Energétique et Transferts

Sous la direction de Laurent Gicquel et de Florent Duchaine.

Le président du jury était Dany Escudié.

Le jury était composé de Laurent Gicquel, Florent Duchaine, Dany Escudié, Olivier Gicquel, Mouna El Hafi, Marc-Paul Errera.

Les rapporteurs étaient Dany Escudié, Olivier Gicquel.

  • Titre traduit

    Mise en oeuvre d'une chaîne de calcul couplé pour la thermique de chambre de combustion


  • Résumé

    La conception des moteurs aéronautiques est soumise à de nombreuses contraintes telles que les gains de performance ou les normes environnementales de plus en plus exigeantes. Face à ces objectifs souvent contradictoires, les nouvelles technologies de moteur tendent vers une augmentation de la température locale et globale dans les étages chauds. En conséquence, les parties solides comme les parois du brûleur sont soumises à des niveaux de température élevés ainsi que d’importants gradients de température, tous deux critiques pour la durée de vie du moteur. Il est donc essentiel pour les concepteurs de caractériser précisément la thermique locale de ces systèmes. Aujourd’hui, la température de paroi est évaluée par des essais de coloration. Pour limiter ces essais relativement chers et complexes, des outils numériques haute fidélité capables de prédire la température de paroi des chambres de combustion sont actuellement développés. Cet exercice nécessite de considérer tous les modes de transfert de chaleur (convection, conduction et rayonnement) ainsi que la combustion au sein du brûleur. Ce problème multi-physique peut être résolu numériquement à l’aide de différentes approches numériques. La méthode utilisée dans ce travail repose sur une approche partitionnée qui inclut la résolution de l’écoulement turbulent réactif par un code de simulation aux grandes échelles (LES), un solveur radiatif basé sur la méthode aux ordonnées discrètes ainsi qu’ un code de conduction solide.Les diverses questions et difficultés liées à la répartition des ressources informatiques ainsi qu’à la méthodologie de couplage employée pour traiter les disparités d’échelles de temps et d’ espace présentes dans chacun des modes de transfert de chaleur sont discutées. La performance informatique des applications couplées est étudiée à travers un modèle très simplifié ainsi que sur une application industrielle. Les paramètres importants sont identifiés et des pistes potentielles d’amélioration sont proposées. La méthodologie de couplage thermique est ensuite étudiée du point de vue physique sur deux configurations distinctes. Pour commencer, l’équilibre thermique entre un fluide réactif et un solide est étudié pour une configuration académique d’accroche flamme. L’influence de la température de paroi de l’accroche flamme sur la stabilisation de flamme est mise en évidence sur des simulations fluideseul. Ces résultats indiquent trois états d’équilibre théorique différents. La pertinence physique de ces trois états est ensuite évaluée à l’aide de diverses simulations de transfert de chaleur conjugué réalisées pour différentes solutions initiales et conductivités solides. Les résultats indiquent que seulement deux états d’équilibre ont un sens physique et que la bifurcation entre les deux états possibles dépend à la fois de la condition initiale et de la conductivité solide. De plus, pour la gamme de paramètres testés, la méthodologie de couplage n’a pas d’effet sur les solutions obtenues. Une méthodologie similaire est ensuite appliquée à une chambre de combustion d’hélicoptère pour laquelle le rayonnement est de plus pris en compte. Diverses simulations sont présentées afin d’évaluer l’impact de chacun des processus de transfert de chaleur sur le champ de température : une simulation fluide-seul adiabatique de référence, de transfert de chaleur conjugué, d’interaction thermique fluide-rayonnement ainsi qu’une simulation incluant toutes les physiques. Ces calculs montrent la faisabilité d’un couplage LES/conduction solide dans un contexte industriel et fournissent de bonnes tendances de distribution de température. Pour finir, pour cette géométrie de brûleur et la condition d’opération simulée, les divers résultats montrent que le rayonnement joue un rôle important dans la distribution des températures de paroi. De ce fait, les comparaisons aux essais de coloration sont globalement en meilleur accord quand les trois modes de transfert sont pris en compte


  • Résumé

    The design of aeronautical engines is subject to many constraints that cover performance gain as well as increasingly sensitive environmental issues. These often contradicting objectives are currently being answered through an increase in the local and global temperature in the hot stages of the engine. As a result, the solid parts encounter very high temperature levels and gradients that are critical for the engine lifespan. Combustion chamber walls in particular are subject to large thermal constraints. It is thus essential for designers to characterize accurately the local thermal state of such devices. Today, wall temperature evaluation is obtained experimentally by complex thermocolor tests. To limit such expensive experiments, efforts are currently performed to provide high fidelity numerical tools able to predict the combustion chamber wall temperature. This specific thermal field however requires the consideration of all the modes of heat transfer (convection, conduction and radiation) and the heat production (through the chemical reaction) within the burner. The resolution of such a multi-physic problem can be done numerically through the use of several dedicated numerical and algorithmic approaches. In this manuscript, the methodology relies on a partitioned coupling approach, based on a Large Eddy Simulation (LES) solver to resolve the flow motion and the chemical reactions, a Discrete Ordinate Method (DOM) radiation solver and an unsteady solid conduction code. The various issues related to computer resources distribution as well as the coupling methodology employed to deal with disparity of time and space scales present in each mode of heat transfer are addressed in this manuscript. Coupled application high performance studies, carried out both on a toy model and an industrial burner configuration evidence parameters of importance as well as potential path of improvements. The thermal coupling approach is then considered from a physical point of view on two distinct configurations. First, one addresses the impact of the methodology and the thermal equilibrium state between a reacting fluid and a solid for a simple flame holder academic case. The effect of the flame holder wall temperature on the flame stabilization pattern is addressed through fluid-only predictions. These simulations highlight interestingly three different theoretical equilibrium states. The physical relevance of these three states is then assessed through the computation of several CHT simulations for different initial solutions and solid conductivities. It is shown that only two equilibrium states are physical and that bifurcation between the two possible physical states depends both on solid conductivity and initial condition.Furthermore, the coupling methodology is shown to have no impact on the solutions within the range of parameters tested. A similar methodology is then applied to a helicopter combustor for which radiative heat transfer is additionally considered. Different computations are presented to assess the role of each heat transfer process on the temperature field: a reference adiabatic fluid-only simulation, Conjugate Heat Transfer, RadiationFluid Thermal Interaction and fully coupled simulations are performed. It is shown that coupling LES with conduction in walls is feasible in an industrial context with acceptable CPU costs and gives good trends of temperature repartition. Then, for the combustor geometry and operating point studied, computations illustrate that radiation plays an important role in the wall temperature distribution. Comparisons with thermocolor tests are globally in a better agreement when the three solvers are coupled.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 20-06-2021

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