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Soutenance de thèse : Thomas Grosnickel – « Simulations aux grandes échelles pour la prédiction des écoulements de refroidissement des pales de turbines

  Lundi 11 février 2019 à 14h00

  Thèses Cerfacs       Cerfacs, Toulouse (France) - Salle de conférence J.-C. André    

Résumé

Les concepteurs de moteurs aéronautiques sont constamment sujets à la demande d'augmentation de puissance de la part des constructeurs d'aéronefs. Pour satisfaire à cette exigence, la température de sortie de la chambre de combustion peut être augmentée pour améliorer le rendement et la puissance de sortie du moteur. Cette élévation de température peut toutefois dépasser le point de fusion du matériau et, pour éviter les pannes de moteur, l'intégrité des aubes de la turbine repose notamment sur des systèmes de refroidissement internes, prélevant de l’air froid du compresseur. La conception de ces systèmes revient donc à maximiser l'amélioration du transfert de chaleur tout en minimisant le débit d'air via les pertes de charge afin d'éviter des pénalités de puissance du moteur. Or ces écoulements en canaux internes sont encore largement incontrôlés et mal compris. Dans le but de mieux comprendre ces écoulements en rotation se développant spatialement, ce travail porte sur l'étude via simulations numériques d'un canal de refroidissement droit, perturbé, en rotation. La configuration consiste en un canal carré équipé de 8 perturbateurs placés avec un angle de 90 degrés par rapport à l'écoulement principal. Pour les cas étudiés, des mesures PIV temporelles ont été effectuées à l’Institut Van Karman (VKI). Les conditions adiabatiques et isothermes ont été étudiées pour évaluer l'impact de la température de la paroi sur l'écoulement, en particulier dans les configurations en rotation. Les canaux statiques ainsi qu'en rotation positive et négative sont comparés avec, dans chaque cas, une prédiction d'écoulement adiabatique ou isotherme. Dans ce travail, les résultats de simulations aux grandes échelles (SGE) montrent que le modèle CFD haute fidélité est capable de reproduire les différences induites par la flottabilité sur la topologie de l’écoulement dans la région proche. Le modèle parvient également à prévoir l’augmentation (la diminution) de la turbulence autour des perturbateurs en rotation déstabilisante (stabilisante). Enfin et grâce à la SGE spatiale et temporelle complète, le développement spatial et l'instationnarité des écoulements secondaires sont analysés pour mieux comprendre leur origine et leurs différences potentielles entre les cas. Cette étude montre que la topologie du flux thermique en parois est déterminée par la structure des écoulements secondaires alors que l'intensité du flux thermique aux parois est déterminée par le niveau de fluctuations de l'écoulement dans l'espace inter-perturbateur.

Jury

Prof. T. Verstraete University of Gand, Belgium Rapporteur
Mr M. Fenot Pprime, ISAE ENSMA, Futuroscope, France Rapporteur
Prof. A. Arts University of Louvain, Belgium Examinateur
Prof. F. Bataille PROMES-CNRS, Perpignan, France Examinateur
Dr. L. Gicquel CERFACS, Toulouse, France Directeur de thèse
Dr. F. Duchaine CERFACS, Toulouse, France Co directeur de thèse
Dr. C. Koupper Safran HE, Bordes, France Invité industriel

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