Soutenance de thèse de Minh NGUYEN

Les systèmes de contrôle actif des jeux de turbine sont utilisés dans l'aviation pour maintenir la taille du jeu entre les bouts de pale de turbine et le carter à un niveau désiré. Cela entraine une meilleure performance du moteur d'avion. Les approches thermiques pour ce type de système se basent sur la contraction ou la dilatation du carter par le transfert de chaleur venant d'une rangée de jets impactants. L'utilisation de la CFD (Computational Fluid Dynamics - simulation numérique des fluides) est courante pour la conception des système de contrôle des jeux, mais les méthodes traditionnelles, basées sur les modèles de type RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes), ont du mal à simuler des écoulements de jet impactant avec précision. Les approches LES (Large Eddy Simulation - simulations aux grandes échelles) sont plus précises, mais sont limitées par leur coût de calcul quand elles sont résolues avec des méthodes numériques classiques. La LBM (Lattice Boltzmann Method - méthode Boltzmann sur réseau) est apparue comme une nouvelle méthode numérique qui pourrait être utilisée pour faire des calculs LES avec un coût de calcul raisonnable. Se basant sur un algorithme efficace de "collision et propagation". ainsi que des maillages Cartésiens avec des cellules coupées, la LBM pourrait effectuer des simulations à haute-fidélité avec un coût de calcul inférieur à celui des méthodes traditionnelles. Néanmoins, la LBM est limitée par un manque de maturité pour la simulation aérothermique des configurations complexes. L'objectif de cette thèse de doctorat est le développement et la validation de l'approche LBM pour la simulation des configurations aérothermiques de complexité croissante. La phase de développement est composée de l'intégration et la validation de nombreuses fonctionnalités qui servent à porter à maturité la LBM compressible et thermique. Cela inclut des conditions limites caractéristiques, des conditions d'injection de turbulence, les algorithmes de transition de maillage, une correction sur l'équilibre qui permet de corriger des erreurs en isotropie, et une condition de débit adaptif. Ces nouveaux développements dans ont été en suite testés sur un cas académique de jet impactant seul, suivi par une rangée de jets impactants issus d'une conduite perforée qui représente une configuration simplifiée de système de contrôle actif des jeux de turbine. L'aptitude du code pour reproduire les données expérimentales de référence est démontrée. Enfin, les capacités et les limitations du code sont discutées.

Turbine active clearance control systems are used to maintain the gap between turbine blades and the surrounding casing at a desired level, leading to significant gains in aircaft engine efficiency. Thermal approaches to active clearance control are based on the contraction or expansion of the casing via heat transfer from an array of impinging jets. The use of CFD (Computational Fluid Dynamics) is common for the design of active clearance control systems, but traditional methods, based on RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) models, have difficulty in accurately simulating impinging jet flows. The LES (Large Eddy Simulation) approach produce better results, but is limited by computational cost performed with classical numerical methods. The LBM (Lattice Boltzmann Method) has emerged as an alternative numerical method for performing LES. Based on a highly efficient "collide-and-stream" algorithm, along with Cartesian grids with cut-cells, the LBM can potentially perform high fidelity simulations at significantly lower computational cost. However, the LBM is limited by a lack of maturity for complex aerothermal simulations. The objective of this PhD thesis is the development and validation of the LBM approach for the simulation of aerothermal test cases of increasing complexity. The development phase is composed of the integration and validation of several features to increase the industrial maturity of the hybrid compressible thermal LBM approach. This includes characteristic boundary conditions, turbulence inflow conditions, grid transition algorithms, a correction to the Lattice Boltzmann equilibrium allowing for greater isotropy, and an adaptive mass flow condition. The new developments were tested on an academic single turbulent round impinging jet, followed by an array of impinging jets emerging from a perforated pipe that is representative of a simplified turbine active clearance control system. The ability of the solver to reproduce the reference experimental data is demonstrated. Lastly, the strengths and limitations of the solver for these test cases are discussed.