Modélisation aérodynamique et thermique des multiperforations en LES

par Dorian Lahbib

Thèse de doctorat en Mathématiques et modélisation

Sous la direction de Franck Nicoud et de Antoine Dauptain.


  • Résumé

    La multi-perforations est un système de refroidissement fréquemment utilisé pour réduire les contraintes thermiques auxquelles les parois de la chambre de combustion sont soumises. Le principe consiste à injecter de l’air froid à travers des milliers de perforations percées dans les parois. Les simulations numériques avec résolution de l’écoulement en proche paroi sont trop coûteuses en temps de calcul de part la présence de petites échelles venant des jets. Des modèles ont été proposés pour réduire le coût du calcul dans des travaux précédents. Un modèle homogène adiabatique représentant l’aérodynamique de l’écoulement autour de la plaque, basé sur la Simulation aux Grandes Echelles d’une plaque perforée infinie a été proposé. Il a ensuite été étendu pour modéliser le comportement aérothermique de l’écoulement autour de la plaque, à partir de calculs résolus des équations de Navier Stokes moyennées. Les objectifs de cette thèse sont d’une part d’évaluer la répartition des flux de chaleur autour de la plaque prédite par le modèle homogène et de proposer un modèle pour prendre en compte l’effet de la multi-perforations sur l’écoulement. Des simulations des Grandes Echelles ont été couplées avec un code résolvant l’équation de la chaleur afin d’acquérir une connaissance approfondie de la structure de l’écoulement et de la répartition des flux de chaleur autour de la plaque. Deux configurations, à un point de fonctionnement représentatif des conditions dans les chambres ont été étudiées: deux canaux communiquent via 12 rangées de trous coniques orientés dans le sens de l’écoulement ou présentant un angle de déviation. Les données générées par les Simulation des Grandes Echelles ont été comparées au modèle homogène et une méthodologie est proposée pour pallier la mauvaise estimation du flux de chaleur induite par l’implémentation numérique. Cette méthodologie peut être étendue pour d’autres approches que l’approche homogène comme le modèle hybride qui représente des trous épaissis en fonction de la résolution du maillage par rapport au diamètre du trou. Le modèle hybride alterne entre une représentation homogène et hétérogène des trous et les résultats obtenus avec cette approche sur les deux configurations sont très encourageants.

  • Titre traduit

    Modeling of aerodynamics and thermal effects in multiperforations using LES


  • Résumé

    Effusion cooling is frequently used to lower the thermal constraints of the combustion chambers in aeronautical gas turbines. It consists of injecting a cold air flow through submillimetric holes drilled in the combustor liners. The resolution of the flow in the near-wall regions in 3-D combustion chamber calculations is out of reach in terms of computational cost due to the presence of small scales. Models were proposed to reduce the computational cost in previous works. An adiabatic homogeneous model, to represent the aerodynamics around the plate, based on the resolved Large Eddy Simulation of an infinite perforated plate was proposed. It was later extended to model the aerothermal behavior of the flow, based on spatially resolved RANS calculations. The objectives of this work are to evaluate the homogeneous aerothermal predictions regarding the flux reparation and to propose a model to account for effusion cooling in industrial computations of the flow around the perforated plate. Large Eddy Simulations coupled with a thermal solver have been performed in order to get insight of the flow organization and the heat flux repartition around the plate. Two configurations at a representative aero engine operating point are studied: two channels separated by 12 converging rows with either perforations oriented in the main flow direction or with an angle of deviation. The data from the Large Eddy Simulations have been compared with the homogeneous model and a methodology is proposed to tackle the heat flux miscalculation due to the numerical implementation. This methodology is not limited to the homogeneous approach, it extends to other approaches such as an hybrid model presented in this work which represents enlarged holes based on the size of the cell relative to the hole diameter. The hybrid model switches from a homogeneous representation of the perforations to a heterogeneous representation and encouraging results are obtained for both configurations.


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