Modélisation haute fidélité de l'aérodynamique dans les inverseurs de poussée des turboréacteurs à flux mélangés

High-Fidelity simulation of the aerothermal performances of a turbofan Thrust Reverser

• Auteur / Autrice : Adrien Grenouilloux
• Direction : Armelle Cessou, Vincent Moureau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, énergétique, thermique, combustion, acoustique
• Date : Soutenance le 05/10/2023
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement co-accrédité : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Abdellah Hadjadj
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Armelle Cessou, Vincent Moureau, Laurent Gicquel, Adrien Toutant, Guillaume Balarac, Alexis Giauque, Elie Hachem
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Gicquel, Adrien Toutant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Calcul adaptatif

Aérodynamique

Thermique

Simulation des grandes échelles

Mots clés libres

Aérothermie

Adaptation de maillage

Jet en impaction

Large Eddy Simulation

Aerothermal

Mesh adaptation

Impinging jet

Résumé

L’inverseur de poussée (ou Thrust Reverser en anglais) est un des principaux systèmes de freinage des aéronefs. Son mode de fonctionnement consiste à dévier l’écoulement d’air provenant du moteur pour générer une contre-poussée. L’inverseur permet, sur une piste mouillée, de réduire d’au moins un tiers la distance de freinage. Sur une piste gelée, souvent rencontrée en hiver, l’utilisation du TR est obligatoire pour garantir l’arrêt en sécurité de l’appareil. Cette configuration se présente sous deux formes en fonction du type de moteur. Pour ceux à faible taux de dilution, la configuration dite TARGET est couramment utilisée. Celle-ci consiste en une série de portes faisant partie de la nacelle qui s’ouvrent grâce à un jeu de vérins hydrauliques. Ainsi, un mélange d’air chaud et froid en provenance du moteur impacte contre ces dernières, et est par la suite dévié et redirigé vers l’avant. Les approches stationnaires, dites RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes), ne permettent pas de correctement modéliser la dynamique de l’écoulement en impaction. En effet, le transport instationnaire des principales structures dans l’écoulement s’avère critique pour l’étude de ce type de configuration. L’objectif de cette thèse est donc de développer des méthodes de simulation numériques aux grandes échelles (LES) permettant, à un coût compatible avec une utilisation industrielle, de modéliser les performances aérothermiques d’une maquette d’échelle réduite d’un inverseur de poussée, pour laquelle des mesures expérimentales sont disponibles. Les développements réalisés durant cette thèse sont implémentés dans la librairie de calcul haute fidélité massivement parallèle YALES2 développée au CORIA, couplée à la librairie d’adaptation de maillage MMG. Une simulation de ce type requiert de l’utilisation d’un maillage adapté, ciblant les principales zones d’intérêt, telles que des couches de mélange ou des zones en proche parois. Ainsi, les travaux de thèse ont porté sur la mise en place d’une méthodologie pour la convergence automatique de maillage de configurations aérothermiques. Dans un premier temps, des configurations dites « académiques » de type jet en impaction, pour lesquelles une large base de données expérimentales est disponible, ont été étudiées pour validation. Des résultats satisfaisant ont montré l’intérêt pratique de cette méthode, qui permet de raffiner la grille tout en y imposant une série contraintes. Ceci permet de contrôler notamment la taille finale du maillage et la discrétisation en proche parois. Une approche particulière a été implémentée pour garantir la convergence statistique locale des critères d’adaptation. Dans un deuxième temps, cette même méthode a été appliquée à la simulation compressible d’une configuration de l’inverseur de poussée en condition d’essai. Afin d’optimiser le temps de calcul, et notamment la génération d’un premier maillage ciblant la dynamique de l’écoulement, un premier calcul avec un solveur à densité variable, dit bas-Mach, a été utilisé. Des post-traitement dédiés ont été mis en place pour calculer les principaux paramètres aérodynamiques d’intérêt, dont la contre poussée. Aussi, une deuxième méthodologie d’adaptation permettant d’assurer la convergence en maillage du champ moyen d’énergie cinétique dans le cadre de la simulation aux grandes échelles a été implémentée. Celle-ci a été validée sur une configuration de jet en impaction, de même que brûleur PRECCINSTA dans un cas non-réactif.

Thrust reversers (TR) are one of the main braking systems on aircraft. The system works by deflecting the airflow from the engine to generate counter-thrust. On a wet runway, the reverser reduces braking distance by at least a third. Under icy conditions, often encountered in winter, the use of the TR is compulsory to ensure the safe stopping of the aircraft. This configuration takes two forms, depending on the type of engine. For low bypass ratio engines, the TARGET configuration is commonly used. This consists of a series of doors integrated into the nacelle, which are opened by a set of hydraulic actuators. A mixture of hot and cold air from the engine then impinges on these doors and is redirected forward. Steady-state approaches, known as RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes), do not correctly model impingement flow dynamics. Indeed, the unsteady transport of the main features in the flow is critical to the study of this type of configuration. Hence, the aim of this thesis is to develop a methodology for the study of the aerothermal performances of a reduced-scale thrust reverser mock-up with scale resolving methods, such as the Large-Eddy Simulation, at a cost compatible with industrial use. The developments carried out during this thesis are implemented in the massively parallel high-fidelity simulation library YALES2 developed at CORIA, coupled with the MMG mesh adaptation library.A simulation of this type requires the use of a suitable mesh, targeting the main areas of interest, such as mixing layers or near-wall regions. Thus, the thesis work focused on the establishment of a methodology for the automatic convergence of meshes for aerothermal configurations. First, so-called "academic" configurations of the impinging jet type, for which a large experimental database is available, were studied for validation. Good results showed the advantages of this method, which makes it possible to refine the grid while imposing a series of practical constraints. Indeed, it allows to control the final mesh size and the near-wall discretization. A particular approach has been implemented to ensure the local statistical convergence of the adaptation criteria. Second, this methodology was applied to the compressible simulation of a reduced-scale model thrust reverser configuration, operating under experimental conditions. To improve the time required for the generation of the first grid, a first simulation relying on a Low-Mach Variable Density Solver is used. Dedicated post-processing was implemented to compute the main aerodynamic parameters of interest, including counter-thrust, to compare with the available experimental data. A second adaptation methodology has been implemented to ensure the mesh convergence of the mean kinetic energy field in the LES framework. This approach was validated on an impinging jet configuration, as well as the non-reactive PRECCINSTA burner case.