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Prédiction de la génération des pertes des écoulements compressibles anisothermes appliquée aux distributeurs hautes pressions de turbine avec les simulations aux grandes échelles

Harnieh, Maël. Prédiction de la génération des pertes des écoulements compressibles anisothermes appliquée aux distributeurs hautes pressions de turbine avec les simulations aux grandes échelles. PhD, Dynamique des fluides, Institut National Polytechnique de Toulouse, 2020, 332 p.

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Abstract

Afin d'améliorer l'efficacité des moteurs aéronautiques, une des solutions envisagées par les industriels est d'augmenter la température d'entrée de la turbine. Cependant, ces hautes températures induisent de fortes contraintes thermiques sur les pales de turbine ce qui réduit leur durée de vie. Pour surmonter ces problèmes thermiques, des systèmes de refroidissement efficaces sont nécessaires. Afin d'évaluer la performance de ces systèmes, une prédiction précise de la température de paroi des pales de turbine et des pertes générées par ces systèmes est requise. Profitant de l'opportunité de récents développements d'outils de prédiction haute-fidélité, cette thèse financée par Safran Helicopter Engines à travers le projet FUI CASCADE, a pour but de valider la prédiction de la température de paroi des pales de turbine refroidie et des pertes générées par ces systèmes avec la Simulation aux Grandes Echelles (SGE). Pour atteindre ces objectifs, différentes configurations académiques et industrielles refroidies par film de refroidissement ont été simulées et étudiées. Les résultats obtenus dans cette thèse montrent que la SGE est capable de prédire l'aérodynamique et l'environnement thermique pour de tels systèmes. Pour faciliter l'utilisation de la SGE dans l’industrie et limiter le coût CPU lié à la résolution de l'écoulement dans le système de refroidissement des pales, un modèle de jets de refroidissement a été proposé et évalué dans ce travail. Les résultats montrent que ce modèle permet de reproduire l'aérodynamique des jets de refroidissement et la température de paroi des pales sans mailler le système de refroidissement. Pour évaluer les pertes dans ce contexte, l’approche Second Law Analysis (SLA) est adoptée. Contrairement aux bilans de température et pression totales, cette approche donne directement accès aux champs de perte 3D qui sont construits à partir des termes sources de l’entropie résolus sur le maillage. Ainsi, le mécanisme de génération de perte peut être localement étudié et ne requière pas de procédure de moyenne contrairement aux modèles de perte 1D. Ces champs de perte sont décomposés en deux contributions : une contribution aérodynamique et une contribution thermique liée au mélange chaud-froid. L'étude de ces champs montre que les pertes aérodynamiques sont principalement générées dans les régions de fort cisaillement (couche limite et de mélange) alors que les pertes de mélange sont générées dans les films de refroidissement et dans le sillage des pales. Des analyses avancées des champs de perte mettent en évidence que les fluctuations turbulentes dominent la génération des pertes pour ces systèmes. Ce dernier résultat met en évidence les bénéfices de l'approche Second Law Analysis pour prédire les pertes à partir des champs obtenus avec la SGE. En effet et contrairement aux approches RANS, les contributions turbulentes des pertes sont directement résolues sur le maillage avec la SGE et ne requiert aucune stratégie de modélisation. La principale conclusion de cette thèse est que l'approche Second Law Analysis couplée avec la SGE est une méthodologie très prometteuse et pertinente pour la prédiction des écoulements et des pertes pour les futurs designs de pale de turbine industriel.

Item Type:PhD Thesis
Uncontrolled Keywords:
Institution:Université de Toulouse > Institut National Polytechnique de Toulouse - Toulouse INP (FRANCE)
Laboratory name:
Research Director:
Gicquel, Laurent and Duchaine, Florent
Statistics:download
Deposited On:06 Mar 2020 13:47

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