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Modélisation Aérothermique des Cavités Bore-Cooling dans les Compresseurs Haute-Pression via la Méthode de Boltzmann sur Réseau

ED353 Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique – Aix-Marseille Unversité

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Les moteurs à double flux de nouvelle génération exigent une gestion optimale des échanges de chaleur au sein des disques de rotor dans les étages de compresseur et de turbine pour assurer leur efficacité, leur fiabilité et leur durabilité. Ces moteurs fonctionnent à des rapports de pression et des températures d’entrée de turbine de plus en plus élevés, générant des charges thermiques considérables sur les disques de rotor. Afin de répondre à ces contraintes, un circuit de refroidissement, appelé bore-cooling, est intégré autour de l’arbre central. La modélisation de ces circuits est complexe en raison de structures tourbillonnaires et instables, résultant de la convection forcée (due au flux axial) et de la convection naturelle (due à la flottabilité centrifuge). Récemment, les modèles LES ont démontré une meilleure capacité à capturer cette dynamique instationnaire que les modèles RANS traditionnels. Cependant, leur application à l’échelle industrielle reste un défi majeur en raison des temps de calcul élevés.

Cette thèse se concentre sur l’amélioration du modèle compressible de la méthode de Boltzmann sur réseau pour modéliser les écoulements dans ces circuits, ayant démontré un grand potentiel pour capturer cette physique complexe en des temps de calcul abordables. Les contributions clés incluent l’extension de la méthode pour modéliser les écoulements en référentiel tournant, intégrant les forces de Coriolis et centrifuge. De plus, un algorithme de raffinement de maillage a été adapté permettant une meilleure conservation de la masse aux transitions de grille en référentiel tournant. Une nouvelle condition limite basée sur la reconstruction des fonctions de distribution a été développé pour améliorer la précision des prédictions de transfert de chaleur. Enfin le modèle de paroi a été étendu pour inclure les effets thermiques, permettant de modéliser des configurations à fort taux de flottabilité.

Le modèle a finalement été validé sur des configurations de complexité croissante, allant d’une cavité annulaire fermée à un banc d’essai à multiples cavités, démontrant un bon accord avec les profils de température, des résultats raisonnables de transfert de chaleur et la capacité de reproduire les effets de compressibilité induisant une atténuation des instabilités de Rayleigh-Bénard.

Cette thèse établit donc une base solide pour de futurs développements dans la simulation des circuits de refroidissement des turbomachines à l’échelle industrielle.

Jury

Jonas LATT	Université de Genève	Rapporteur
Adrien TOUTANT	Université de Perpignan	Rapporteur
Bérengère PODVIN	CNRS, EM2C	Examinatrice
Nicolas BINDER	ISAE-SUPAERO	Examinateur, Président du jury
Pierre SAGAUT	Aix-Marseille Université	Directeur de thèse
Jean-François BOUSSUGE	CERFACS	Membre invité
Christophe SCHOLTES	Safran Aircraft Engines	Membre invité