Simulations des grandes échelles pour la prédiction des écoulements de refroidissement des pales de turbines

par Thomas Grosnickel

Thèse de doctorat en Energétique et Transferts

Sous la direction de Laurent Gicquel et de Florent Duchaine.

Le président du jury était Françoise Bataille.

Le jury était composé de Laurent Gicquel, Florent Duchaine, Françoise Bataille, Tom Verstraete, Matthieu Fénot, Tony Arts.

Les rapporteurs étaient Tom Verstraete, Matthieu Fénot.


  • Résumé

    Les concepteurs de moteurs aéronautiques sont constamment sujets à la demande d’augmentation de puissance de la part des constructeurs d’aéronefs. Pour satisfaire à cette exigence, la température de sortie de la chambre de combustion peut être augmentée pour améliorer le rendement et la puissance de sortie du moteur. Cette élévation de température peut toutefois dépasser le point de fusion du matériau et, pour éviter les pannes de moteur, l’intégrité des aubes de la turbine repose notamment sur des systèmes de refroidissement internes,prélevant de l'air froid du compresseur. La conception de ces systèmes revient donc à maximiser l’amélioration du transfert de chaleur tout en minimisant le débit d’air via les pertes de charge afin d’éviter des pénalités de puissance du moteur. Or ces écoulements en canaux internes sont encore largement incontrôlés et mal compris. Dans le but de mieux comprendre ces écoulements en rotation se développant spatialement, ce travail porte sur l’étude via simulations numériques d’un canal de refroidissement droit, perturbé, en rotation. La configuration consiste en un canal carré équipé de 8 perturbateurs placés avec un angle de 90 degrés par rapport à l’écoulement principal. Pour les cas étudiés, des mesures PIV temporelles ont été effectuées à l'Institut VanKarman (VKI). Les conditions adiabatiques et isothermes ont été étudiées pour évaluer l’impact dela température de la paroi sur l’écoulement, en particulier dans les configurations en rotation. Les canaux statiques ainsi qu’en rotation positive et négative sont comparés avec, dans chaque cas,une prédiction d’écoulement adiabatique ou isotherme. Dans ce travail, les résultats de simulations aux grandes échelles (SGE) montrent que le modèle CFD haute fidélité est capable de reproduire les différences induites par la flottabilité sur la topologie de l'écoulement dans la région proche. Le modèle parvient également à prévoir l'augmentation (la diminution) de la turbulence autour des perturbateurs en rotation déstabilisante (stabilisante). Enfin et grâce à la SGE spatiale et temporelle complète, le développement spatial et l’instationnarité des écoulements secondaires sont analysés pour mieux comprendre leur origine et leurs différences potentielles entre les cas. Cette étude montre que la topologie du flux thermique en parois est déterminée par la structure des écoulements secondaires alors que l’intensité du flux thermique aux parois est déterminée par le niveau de fluctuations de l’écoulement dans l’espace interperturbateur

  • Titre traduit

    Large Eddy Simulations to predict internal turbine blade cooling flows


  • Résumé

    Aeronautical engine designers are constantly subject to increasing power demands from aircraft manufacturers. To satisfy this requirement, combustor outlet temperature can be increased to improve efficiency and output energy of the engine. This rise in temperature however can surpass the material melting point and to avoid engine failure, turbine blades rely on internal cooling systems. Turbine blade cooling often uses internal channels, taking cold air from the compressor flow. Design of these systems therefore resumes to maximizing heat transfer enhancement while minimizing airflow rate to avoid engine power penalties. However, such flows are still largely uncontrolled and miss-understood. In an attempt to better understand such spatially developing rotating flows, the present study deals with a computational investigation on a straight, rotating rib roughened cooling channel. The configuration consists in a squared channel equipped with 8 ribs turbulators placed with an angle of 90 degrees with respect to the flow direction. For the studied cases, time resolved two-dimensional Particle Image Velocimetry (PIV) measurements have been performed at the Van Karman Institute (VKI). Adiabatic as well as isothermal conditions have been investigated to evaluate the impact of the wall temperature on the flow, especially in the rotating configurations. Static as well as both positive and negative rotating channels are compared with, in each case, either an adiabatic or an isothermal flow prediction. In this work, Large Eddy Simulation (LES) results show that the high fidelity CFD model is able to reproduce the differences induced by buoyancy on the flow topology in the near rib region and resulting from an adiabatic or an isothermal flow in rotation. The model manages also to predict the turbulence increase (decrease) around the rib in destabilizing (stabilizing) rotation of the ribbed channels. Finally and thanks to the full spatial and temporal description produced by LES, the spatial development and the unsteadiness of secondary flows are analyzed to better understand their origin and potential differences in all a cases. This study shows that the wall heat flux topology is driven by the secondary flows structure and the wall heat flux intensity is driven by the level of flow fluctuations in the ribbed region


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