Modélisation et simulations numériques stationnaires de l'aérothermique des circuits internes d'aubes de turbines refroidies

par Florian Guillou

Thèse de doctorat en Aérothermique

Sous la direction de Francis Dupoirieux.

Soutenue en 2013

à Rouen , en partenariat avec Office national d'études et de recherches aérospatiales. Département Energétique fondamentale et appliquée (France) (laboratoire) .

mots clés

• Turbulence -- Modèles mathématiques
• Couche limite turbulente
• Chaleur -- Convection
• Avions -- Turboréacteurs
• Turbines à gaz -- Aubes -- Refroidissement
• Avions -- Moteurs -- Refroidissement

Résumé

Les gains en performances des moteurs aéronautiques obtenus par l'élévation de la température d'entrée turbine requièrent une hausse de l'efficacité du refroidissement des aubes, assuré par l'écoulement d'air frais sous haute pression dans des circuits internes. La conception des aubes nécessite alors de disposer d'outils de prévision des échanges convectifs internes, fiables et aux temps de rendu courts. Cette thèse a été consacrée au développement de méthodologies de calcul RANS adaptées à cette problématique à partir de la plateforme de calcul CEDRE de l'Onera qui traite des maillages non structurés. La modélisation des tensions de Reynolds et des flux turbulents d'enthalpie dans les zones dites haut et bas-Reynolds a été étudiée. On s'est notamment intéressé aux approches récentes offrant les meilleures perspectives de rapport qualité/coûts. Ainsi, des modèles à équations de transport reposant sur une viscosité turbulente, des modèles explicites algébriques d'ordre 2 et des lois de paroi numériques ont été évalués sur leurs capacités à rendre compte des effets de la rotation ou de la courbure des écoulements sur l'anisotropie de la turbulence et des conséquences de ces effets sur les échanges convectifs. La validation de ces modèles s'est basée sur les données des bancs d'essai MERCI et BATHIRE de l'Onera et celles issues du projet européen ERICKA. Des résultats prometteurs ont été obtenus avec un modèle aux tensions de Reynolds explicite algébrique et un modèle de flux turbulents d'enthalpie basé sur une hypothèse de Gradient-Diffusion généralisé. Enfin, la méthodologie développée a été appliquée avec succès sur un cas d'aube réelle du motoriste Snecma.

Résumé

The increase in gas turbine performance based on a turbine entry temperature rise requires the improvement of the blade cooling efficiency. Blades are cooled by internal convection thanks to the injection of high-pressure unburnt air into cooling channels. Therefore fast and reliable numerical tools are able to predict internal convective heat transfers are needed for the design of turbine blades. The goal of the present work was to develop methodologies for RANS simulations able to achieve such predictions. The software platform of Onera called CEDRE, which is designed for unstructured meshes, has been used. Focus was on the modeling of the Reynolds stress tensor and the enthalpy turbulent fluxes for both high-Reynolds and near-wall areas. Meshing strategy was also considered. Greater emphasis was placed on the approaches that could yield the best quality/cost ratio. For that reason one-equation turbulence models based on eddy viscosity, explicit algebraic Reynolds stress models and advanced wall laws have been evaluated on their ability to reproduce the effects of rotation and flow curvature on turbulence anisotropy, and on the consequences of these effects on convective heat transfers. Validations were carried out by comparison with the experimental data obtained both on the MERCI and BATHIRE test rigs of Onera and in the framework of the european project ERICKA. Promising results were obtained with an explicit algebraic Reynolds stress model for turbulent momentum fluxes and a model based on a generalized gradient-diffusion hypothesis for turbulent enthalpy fluxes. The obtained methodology was successfully applied to a real blade configuration from Snecma.