Modélisation avancée de plaques multiperforées pour les simulations aux grandes échelles de moteurs aéronautiques de nouvelle génération

Dans le domaine de l'ingénierie aéronautique, les chambres de combustion de moteurs d'avion et d'hélicoptère subissent des contraintes thermiques extrêmes. Pour améliorer la résilience des parois de ces chambres face à ces contraintes, diverses technologies ont été développées au fil du temps.

L'une des technologies les plus avancées et largement utilisée aujourd'hui est la multiperforation. Une des technologies de refroidissement les plus abouties et utilisées aujourd'hui, appelée multiperforation, qui consiste à percer de milliers de petits trous sur toute la circonférence des parois de la chambre. Semblable à un effet de transpiration, cette technique permet à de l'air frais de traverser la paroi, formant ainsi une couche de protection thermique. En produisant une couche uniforme et adhérente à la paroi, celle-ci est mieux protégée contre les contraintes thermiques.

Pour comprendre les phénomènes multi-physiques observés dans une chambre de combustion, la simulation à grande échelle est devenue un outil essentiel. Cependant, le grand nombre et la petite taille des perçages ne permettent pas d'y simuler l'écoulement sans pénaliser fortement les coûts de calcul et coûts ingénieurs. Pour résoudre ce problème, des modèles de multiperforations ont été développés avec pour objectif de reproduire à moindre coût la dynamique principale des multiperforations.

Ces modèles reposent sur l'idée de contourner la résolution de l'écoulement dans les perçages en imposant des termes puits et sources pour représenter l'injection et l'aspiration de l'air de refroidissement dans le domaine, de part et d'autre de la paroi. Parmi ces modèles, un modèle homogène a été poussé, qui impose uniformément le débit sur toute la surface pariétale, assimilant ainsi la multiperforation à une paroi poreuse. Ce premier modèle a ensuite été amélioré pour tenir compte de la discrétisation spatiale des jets d'air. Basé sur une injection plus localisée du débit, ce modèle hétérogène a ainsi permis d'améliorer la représentativité des multiperforations tout en conservant un coût de calcul acceptable. Ces deux modèles sont cependant limités par l'hypothèse d'un débit de multiperforation stationnaire et uniformément réparti, estimé par des méthodes bas-ordre.

En effet, ces hypothèses font défaut dans des simulations impliquant des géométries complexes et des écoulements fortement instationnaires, notamment lors de l'étude de phénomènes transitoirs tels que l'allumage ou l'extinction, ou en présence de phénomènes thermo-acoustiques. L'objectif de cette thèse est donc de surmonter ces limites et d'améliorer la représentativité du modèle de multiperforation. L'approche étudiée vise à reproduire de manière précise la distribution spatiale et temporelle du débit de refroidissement, telle qu'elle serait observée dans des multiperforations résolues. En d'autres termes, l'objectif est d'estimer le débit de chaque trou au cours de la simulation et de l'intégrer localement dans le formalisme du modèle hétérogène. Des études préliminaires ont permis d'analyser le comportement spatial et temporel du débit de multiperforation au travers de configurations industrielles et académiques, et d'évaluer l'impact de l'hétérogénéité de débit sur la thermique de la paroi. Ces résultats ont conduit à la construction d'un modèle de débit pour les multiperforations, en mettant l'accent sur la modélisation du coefficient de décharge. Ce modèle a ensuite été implémenté dans un code de simulation aux grandes échelles pour reproduire les hétérogénéités spatiales et temporelles à partir de grandeurs physiques locales dans le formalisme du modèle hétérogène.

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