Caractérisation aérothermique expérimentale des configurations de refroidissement du film à l’aide de la thermométrie au phosphore ZnO

Contribution to Aerothermal Study of a Film Cooling Geometric Design using ZnO Phosphorescence Thermography and Numerical Simulations

• Auteur / Autrice : Arunprasath Subramanian
• Direction : Eva Dorignac, Gildas Lalizel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Transferts thermiques
• Date : Soutenance le 25/04/2022
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique, matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rémy Benjamin, Laurent David
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antonio Andreini, Béatrice Patte-Rouland
• DOI : 10.70675/a40d8666zb9c1z417dzb481z41ddcde578ac

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aérothermodynamique

Écoulement croisé

Tourbillons (mécanique des fluides)

Transfert de chaleur

Turbines à gaz

Refroidissement

Mots clés libres

Refroidissement par film fluide

Thermométrie phosphore à l'oxyde de zinc

Analyse aérothermique

Jet en écoulement croisé

Tourbillons contra-rotatifs

Film cooling

Zinc oxide phosphor thermometry,

Aerothermal analysis

Jet In Cross-Flow (JICF)

Counter-Rotating Vortex Pair (CRVP)

Résumé

Le refroidissement par film froid des aubes des turbines aéronautiques d’avion est utilisé depuis quelques décennies pour augmenter la température d'entrée de la turbine (TIT) et ainsi augmenter la poussée, et également pour prolonger la durée de vie de l'aube de turbine. Les normes d'émission strictes des polluants encouragent l'amélioration de l'efficacité globale de la turbine et donc l’optimisation du processus de refroidissement par film. C’est une technique par convection forcée dans laquelle un jet froid est injecté à travers des trous discrets à la surface de l'aube de turbine de manière à former une couche d'air frais sur la surface de l'aube protégeant efficacement l'aube des flux à très haute température résultant de la combustion. Ce principe peut être étudié académiquement comme un jet débouchant dans un écoulement transverse. Cet écoulement est très complexe parce que de nombreuses structures cohérentes turbulentes se développent et interagissent les unes avec les autres. L'un des systèmes de tourbillons les plus importants est la paire de tourbillons contra-rotatifs (CRVP) résultant des contraintes de cisaillement qui se développent dans la couche de mélange supérieure entre le jet débouchant et le jet principal. La courbure du jet débouchant le long de la direction du flux transversal intensifie le développement du CRVP qui augmente ainsi le mélange entre les deux écoulements, ce qui réduit l'efficacité du film de refroidissement. Par conséquent, dans cette étude, une organisation spatiale de trous auxiliaires est étudiée expérimentalement et numériquement pour réduire l'intensité de l’influence du CRVP, ce qui contribue finalement à augmenter l'efficacité du refroidissement du film adiabatique. Les trous auxiliaires, placés en amont du trou principal, permettent de réduire l'intensité du CRVP issu du trou principal du fait de la diminution des contraintes de cisaillement subies par le jet issu du trou principal. Dans cette thèse, une méthode numérique basée sur des simulations RANS utilisant le modèle de turbulence k-ω SST a été utilisée pour optimiser l’organisation spatiale des trous auxiliaires et pour avoir une compréhension préliminaire de ces interactions de structures cohérentes. Une étude détaillée de la structure instationnaire de l'écoulement a également été réalisée à l'aide de la simulation aux grandes échelles L.E.S. Pour étudier expérimentalement les champs de température dans le fluide, une métrologie de mesure de température a été spécialement développée : la thermométrie utilisant le rapport d’intensités spectrales d’émission de phosphorescence du ZnO à l’aide d’une seule caméra intensifiée. Cette technique permet la mesure de la température instantanée et moyenne de manière non intrusive. Une analyse détaillée des propriétés d'émission du luminophore ZnO excitée par un laser à 266 nm est décrite. Une procédure d'étalonnage a été développée et testée dans une cavité Rayleigh-Bénard remplie d’eau. Ensuite, cette procédure a été mise en œuvre sur le nouveau banc d'essai BATH pour étudier expérimentalement le film de refroidissement dimensionné par la simulation RANS pour trois taux de soufflage. L'analyse des résultats expérimentaux et numériques aide à identifier les structures cohérentes clés, conduisant à une meilleure compréhension des phénomènes physiques mis en jeu et à appréhender l'augmentation de l'efficacité de refroidissement du film dans le système de trous auxiliaires par rapport à un trou cylindrique simple classique.

Film cooling of aircraft gas turbine blades has been in use since a few decades now to improve the Turbine Inlet Temperature (TIT) and to extend the lifetime of the turbine blade. Additionally, stringent emission norms stipulate the improvement of overall efficiency of the gas turbine engine and hence the need to improve film cooling process. Film cooling is a technique where a cold jet is injected through discrete holes on the surface of the turbine blade, so as to form a layer of cool air over the surface of the blade, effectively protecting the blade from high temperature crossflows arising from the combustion chamber. This problem can be viewed as a Jet In Cross-Flow (JICF) phenomena where the interaction of the crossflow with a jet injected perpendicular or at an angle creates a system of vortices. One of the most important vortex systems in this arrangement is the Counter Rotating Vortex Pair arising from the shear forces at the sides of the ejecting jet with the crossflow primarily. The bending of the jet along the direction of the crossflow promotes the CRVP to ingest hot crossflow into the jet stream which reduces the effectiveness of the film cooling system. Hence, in this study, an auxiliary hole system is studied experimentally and numerically to reduce the intensity and the height of the CRVP which eventually helps in an augmented adiabatic film cooling effectiveness. The auxiliary holes placed upstream of the main film cooling hole reduces the intensity of the main hole CRVP due to the reduction in the shear forces experienced by the jet emanating from the main hole. In this thesis numerical analysis through RANS study using k-ω SST turbulence model to have a preliminary understanding of the auxiliary hole system and a detailed understanding of the flow structure using Large Eddy Simulation are performed. The highlight of this work is the development of single camera phosphor thermometry using the spectral intensity ratio method. This technique allows the measurement of the instantaneous and mean flow temperature non-intrusively. A detailed analysis of the emission properties of ZnO phosphor upon excitation by a 266nm laser is described. A calibration procedure for the intensity ratio method is defined and it is tested using a Rayleigh-Bénard natural convection process. This phosphor thermometry procedure with the validated code is implemented on the new BATH test Rig to study film cooling arrangements. Three different configurations are tested for their aero-thermal characteristics at penetration blowing ratio regime. Analysis of the experimental and numerical results help in identifying key vortex structures, leading to the better understanding of reasons for the augmentation of film cooling effectiveness in the auxiliary hole system compared to a classical simple cylindrical hole.