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

methode de lattice Boltzmann,mécanique des fluides,CFD,Col de cygne,

Keywords

lattice Boltzmann method,fluid dynamics,Computational fluid dynamic,S-duct,

Titre de thèse

Développement d'une méthode Lattice Boltzmann pour la prédiction des performances aérodynamiques d'un col de cygne
Development of a Lattice-Boltzmann Method for Turbomachinery: Towards S-Duct Simulations

Date

Vendredi 17 Mai 2024 à 14:00

Adresse

CERFACS, 42 avenue Gaspard Coriolis 31057 Toulouse cedex 1 France amphithéâtre JCA

Jury

Directeur de these M. Pierre SAGAUT Aix Marseille Université
Rapporteur M. Sofiane KHELLADI ENSAM Paris
Rapporteur M. Stéphane AUBERT Ecole Centrale de Lyon
Examinateur M. Jérôme BOUDET Ecole Centrale de Lyon
Examinateur Mme Marlène SANJOSE ÉTS, Université du Québec
Examinateur M. Jérôme DE LABORDERIE Safran Aircraft Engines

Résumé de la thèse

Les cols de cygnes sont des passages aérodynamiques utilisés dans l'aviation afin de guider l'écoulement sortant du compresseur basse pression vers le compresseur haute pression. Dans un but d'optimisation du poids et de la taille des moteurs, la longueur de ces cols de cygne à tendance à diminuer au cours des dernières années menant à des designs de plus en plus agressifs. Toutefois, ces nouveaux designs ne doivent pas générer de pertes aérodynamiques supplémentaires qui pourraient venir impacter la performance globale du moteur. L'utilisation de la mécanique des fluides numériques est une pratique courante afin de concevoir les turbomachines. Cependant, les méthodes traditionnelles sont basées sur les modèles de type RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) qui se sont avérés ne pas prédire les niveaux de pertes avec précision. Les approches classiques de Simulation aux Grandes Échelles (SGE) sont quant à elles plus précises mais limitées par leur coût de calcul. La méthode de Boltzmann sur réseau est alors apparue comme une alternative viable afin de réaliser des calculs (SGE) à un coût satisfaisant. Le cœur de la méthode repose sur un algorithme de collision et propagation, se révélant particulièrement efficace d'un point de vue informatique, ainsi que sur des maillages Cartésien facilement réalisable. Cependant, la LBM a été peu appliquée à la simulation de configurations turbomachines complexes. L'objectif de cette thèse de doctorat est le développement et la validation de l'approche LBM pour la simulation de cols de cygnes de complexité croissante. La partie de développement concerne l'intégration et la validation de conditions limites caractéristiques d'entrée et de sortie adaptées aux applications turbomachines. Ces développements ont ensuite permis la simulation d'un col de cygne académique sur laquelle la capacité du code à retrouver les résultats expérimentaux de référence a été démontrée. Ensuite, un col de cygne représentatif d'un cas industriel est simulé et les capacités et limitations du code sont discutées.

Thesis resume

S-ducts are used in aircraft engines as aerodynamic passages to drive the flow from the low-pressure compressor to the high-pressure compressor. To optimize performance, the engine weight and length are progressively reduced, leading to more and more aggressive S-Duct designs. However, these new designs must not generate additional aerodynamic losses that could impact the global performance of the engine. Computational Fluid Dynamics (CFD) is a common practice in the field of turbomachinery design. However, traditional approaches are based on Reynolds-Averaged Navier Stokes models which were shown not to predict accurately losses. The Large Eddy Simulation (LES) approach is more precise but is limited by its computational cost when tackling industrial configurations. Recently, the Lattice Boltzmann Method (LBM) appeared as a viable numerical alternative method to perform LES at an affordable cost. The method is based on a collide and stream algorithm, showing great efficiency for high-performance computing, combined with Cartesian grids easily generated. However, the LBM has been little applied to complex turbomachinery flows as the ones found in S-Ducts due to a lack of maturity. The objective of this Ph.D. is to develop and validate the LBM approach to simulate S-duct configurations of increasing complexity. The development phase concerns the integration and validation of inlet and outlet characteristic boundary conditions suitable for turbomachinery simulations. These new developments have been applied to simulate an academic S-duct where the ability of the method to recover experimental data is shown. Finally, an S-duct representative of an industrial case is simulated. Lastly, the advantages and limitations of the solver for these test cases are discussed.