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Le 20 juin 2016 à 14h00

Soutenance de Thèse: Sandrine BERGER – Mise en oeuvre d’une chaine de calcul couplé pour la thermique de chambre de combustion

ROGEL |  SALLE DE CONFÉRENCE JEAN-CLAUDE ANDRÉ |  

Résumé :

La conception des moteurs aéronautiques est soumise à de nombreuses contraintes telles que les gains de performance ou les normes environnementales de plus en plus exigeantes. Face à ces objectifs souvent contradictoires, les nouvelles technologies de moteur tendent vers une augmentation de la température locale et globale dans les étages chauds. En conséquence, les parties solides comme les parois du brûleur sont soumises à des niveaux de température élevés ainsi que d'importants gradients de température, tous deux critiques pour la durée de vie du moteur. Il est donc essentiel pour les concepteurs de caractériser précisément la thermique locale de ces systèmes. Aujourd'hui, la température de paroi est évaluée par des essais de coloration. Pour limiter ces essais relativement chers et complexes, des outils numériques haute fidélité capables de prédire la température de paroi des chambres de combustion sont actuellement développés. Cet exercice nécessite de considérer tous les modes de transfert de chaleur (convection, conduction et rayonnement) ainsi que la combustion au sein du brûleur. Ce problème multi-physique peut être résolu numériquement à l'aide de différentes approches numériques. La méthode utilisée dans ce travail repose sur une approche partitionnée qui inclus la résolution de l'écoulement turbulent réactif par un code de simulation aux grandes échelles (LES), un solveur radiatif basé sur la méthode aux ordonnées discrètes ainsi qu'un code de conduction solide.

Les diverses questions et difficultés liées à la répartition des ressources informatiques ainsi qu'à la méthodologie de couplage employée pour traiter les disparités d'échelles de temps et d'espace présentes dans chacun des modes de transfert de chaleur sont discutées. La performance informatique des applications couplées est étudiée à travers un modèle très simplifié ainsi que sur une application industrielle. Les paramètres importants sont identifiés et des pistes potentielles d'amélioration sont proposées.

La méthodologie de couplage thermique est ensuite étudiée du point de vue physique sur deux configurations distinctes. Pour commencer, l'équilibre thermique entre un fluide réactif et un solide est étudié pour une configuration académique d'accroche flamme. L'influence de la température de paroi de l'accroche flamme sur la stabilisation de flamme est mise en évidence sur des simulations fluide-seul. Ces résultats indiquent trois états d'équilibre théorique différents. La pertinence physique de ces trois états est ensuite évaluée à l'aide de diverses simulations de transfert de chaleur conjugué réalisées pour différentes solutions initiales et conductivités solides.

Les résultats indiquent que seulement deux états d'équilibre ont un sens physique et que la bifurcation entre les deux états possibles dépend à la fois de la condition initiale et de la conductivité solide. De plus, pour la gamme de paramètres testés, la méthodologie de couplage n'a pas d'effet sur les solutions obtenues.

Une méthodologie similaire est ensuite appliquée à une chambre de combustion d'hélicoptère pour laquelle le rayonnement est de plus pris en compte. Diverses simulations sont présentées afin d'évaluer l'impact de chacun des processus de transfert de chaleur sur le champ de température : une simulation fluide-seul adiabatique de référence, de transfert de chaleur conjugué, d'interactions thermique fluide-rayonnement ainsi qu'une simulation incluant toutes les physiques. Ces calculs montrent la faisabilité d'un couplage LES/conduction solide dans un contexte industriel et fournissent de bonnes tendances de distribution de température. Pour finir, pour cette géométrie de brûleur et la condition d'opération simulée, les divers résultats montrent que le rayonnement joue un rôle important dans la distribution des températures de paroi. De ce fait, les comparaisons aux essais de coloration sont globalement en meilleur accord quand les trois modes de transfert sont pris en compte.

 mots clés : combustion, thermique, moteur aéronautique, LES, couplage

Jury  :

Laurent.gicquel@cerfacs.fr  Directeur de thèse

Florent Duchaine@cerfacs.fr  Co directeur de thèse

Danièle Escudié Rapporteur CETHIL INSA LYON dany.escudie@insa-lyon.fr

olivier.gicquel@ecp.fr  Rapporteur Ecole Centrale de Paris, EM2C

marc.errera@onera.fr  ONERA Examinateur

elhafi.meh@gmail.com  Ecole des Mines d'Albi, RAPSODEE Examinateur

stephane.richard@turbomeca.fr  Industriel invité