Ecole Doctorale
SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique
Spécialité
« Sciences pour l'ingénieur » : spécialité « Mécanique et Physique des Fluides »
Etablissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
LBM,Lattice-Boltzmann,turbomachines,cavités tournantes,
Keywords
LBM,Lattice Boltzmann,turbomachines,rotating cavities,
Titre de thèse
Etude des méthodes lattice Boltzmann pour les simulations de systèmes d'air secondaires de turbomachines
Investigation of lattice Boltzmann methods for turbomachinery secondary air system simulations
Date
Wednesday 4 December 2019 à 10:00
Adresse
CERFACS
42 Avenue Gaspard Coriolis, 31100 Toulouse Salle Jean-Claude André
Jury
Directeur de these |
M. Pierre SAGAUT |
Aix Marseille Université |
Rapporteur |
M. Florian DE VUYST |
Université de Technologie de Compiègne |
Rapporteur |
M. Tony ARTS |
Von Karman Institute for Fluid Dynamics |
Examinateur |
Mme Françoise BATAILLE |
Université de Perpignan |
Examinateur |
M. Nicolas GOURDAIN |
ISAE-Supaero |
Résumé de la thèse
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 estévalué 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.
Thesis resume
Over the past decades, the optimization of turbomachinery efficiency has led to a constant increase in the air temperature of the primary vein. Nonetheless, large temperatures can considerably reduce the engine's lifetime due to excessive thermal loads or uncontrolled clearances affected by thermal dilatation. An efficient and well-designed cooling system is therefore necessary. This is the role of the bore cooling circuit, composed of successive rotating cavities in which a competition takes place between inertia, temperature gradients and forced convection induced by an axial throughflow. These phenomena give birth to complex, unsteady, non-axisymmetric flows of a priori unknown periodicity. Simulating such flows is a major challenge for numerical modeling since it requires solvers adapted to long and three-dimensional unsteady computations. The present thesis is devoted to the investigation of a particular method for the simulation of such flows: the lattice Boltzmann method (LBM). It combines the advantages of being inherently unsteady, relatively fast and perfectly adapted to complex three-dimensional geometries.
First, a study of instabilities occurring in rotating cavities subject to radial temperature gradients is proposed. To that end, linear stability analyses based on a local approach are applied to cases of annular geometries, representative of the axial planes of the rotating cavities. They are used to determine the flow structure in a linear regime as well as the critical Rayleigh and Reynolds numbers for instability occurrence. However, these analyses do not account for the non-linear effects of the limit cycle, which requires another method.
The thesis then focuses on the potential of the LBM for such simulations. A detailed investigation of the numerical instabilities that may occur under the conditions of application of the method is proposed. A particular methodology developed during this thesis, based on von Neumann's approach, enables us to clearly identify the waves propagated by the scheme and underlines the numerical phenomena at the origin of instabilities. This study highlights the effect of many parameters on numerical stability such as the choice of the lattice and the collision model. A further analysis of regularized models highlights two fundamental properties of these schemes that have a strong influence on numerical stability for subsonic flows.
Applications of LBM to rotating cavity flows are finally performed. The commercial software PowerFLOW is used, being the only LBM solver mature enough to model perfect gases. The code is evaluated on academic cases of increasing complexity (two-dimensional cavity, closed cavity and rotating cavity with cooling throughflow). The results are compared with linear stability analyses, computations from the literature and experimental data. Finally, a multi-stage configuration is simulated, for which a conjugate heat transfer coupling (CHT) is carried out in order to take radiative transfers into account and make best use of the experimental data. The results highlight very good estimates of temperature distributions, hinting towards a good modelling of the complex phenomena contributing to heat transfer.