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Le 4 décembre 2019 à 10h00

Soutenance de thèse: Gauthier WISSOCQ – “Etudes des méthodes lattice Boltzmann pour application aux écoulements de systèmes d’air secondaire de turbomachines”

Marie LABADENS |  JCA CONFERENCE ROOM, CERFACS, Toulouse, France |  

Résumé:

Ces dernières décennies, l’optimisation du rendement des turbomachines s’est traduite par une augmentation constante de la température d’air en veine primaire. Des températures élevées pouvant avoir des effets néfastes sur la durée de vie du moteur en raison de charges thermiques trop importantes ou de jeux mal contrôlés, un système de refroidissement efficace et bien dimensionné est indispensable. C’est notamment le rôle du circuit de bore cooling, composé d’une succession de cavités tournantes, dans lesquelles une compétition a lieu entre les forces d’inertie, les gradients de température et la convection forcée induite par un jet axial. Ces phénomènes donnent naissance à des écoulements instationnaires complexes, non-axisymmétriques et de périodicité a priori inconnue. La simulation de tels écoulements représente un défi majeur pour la modélisation numérique, nécessitant des codes adaptés aux calculs instationnaires longs et tridimensionnels. Cette thèse se consacre à l’étude d’une méthode numérique particulière pour la simulation de tels écoulements : la méthode de Boltzmann sur réseau, ou lattice Boltzmann method (LBM), qui possède les avantages d’être intrinsèquement instationnaire, relativement rapide et parfaitement adaptée aux géométries tridimensionelles complexes.
Dans un premier temps, une étude des instabilités apparaissant dans les cavités tournantes soumises à des gradients de température radiaux est proposée. Des analyses de stabilité linéaire sont appliquées à des cas de géométries annulaires représentatives des plans axiaux des cavités tournantes. Elles permettent de déterminer la structure de l’écoulement en régime linéaire ainsi que les nombres de Rayleigh et Reynolds critiques d’apparition d’instabilités. Néanmoins, ces analyses ne permettent pas de rendre compte des effets non linéaires du cycle limite qui nécessitent une méthode adaptée.
La suite de la thèse se consacre au potentiel de la LBM pour de telles simulations. Une étude fine des instabilités numériques pouvant survenir dans les conditions d’application de la méthode est proposée. Une méthodologie particulière développée durant cette thèse, basée sur l’approche de von Neumann, permet d’identifier clairement les ondes propagées par le schéma et souligne les phénomènes numériques à l’origine des instabilités. Cette étude met en évidence l’effet de nombreux paramètres sur la stabilité numérique tels que le choix du lattice et du modèle de collision. Une analyse proposée sur les modèles régularisés souligne deux propriétés fondamentales de ces schémas qui ont une grande influence sur la stabilité numérique en écoulement subsonique.
Des applications de la LBM aux écoulements de cavités tournantes sont finalement réalisées. Le logiciel commercial PowerFLOW, seul code LBM suffisamment mature pour des modélisations de gaz parfait, est utilisé. Le code est évalué sur des cas académiques de complexité croissante (cavité bidimensionnelle, cavité fermée et cavité tournante avec flux d’air de refroidissement) et comparé aux résultats d’analyse linéaire, à des calculs issus de la littérature et à des données expérimentales. Une configuration multi-étagée est enfin simulée, pour laquelle un couplage à flux de chaleurs conjugués est réalisé afin de rendre compte des transferts radiatifs et exploiter au mieux les données d’essai. Les résultats soulignent de très bonnes estimations des profils de température, indiquant une bonne modélisation des phénomènes complexes contribuant aux échanges thermiques.

Jury:

Pierre Sagaut                     Aix-Marseille Université (France)                                  Directeur

Jean-François Boussuge   Cerfacs, Toulouse (France)                                           Co-directeur

Florian De Vuyst                UTC, Compiègne (France)                                             Rapporteur

Tony Arts                           Von Karman Institute, Rhode St Genèse (Belgique)      Rapporteur

Françoise Bataille              Université de Perpignan (France)                                  Examinatrice

Nicolas Gourdain              ISAE-Supaero, Toulouse (France)                                  Examinateur

Farid Benyoucef               Safran AE  Villaroche (France)                                        Invité