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,Aérothermique,Bore-Cooling,Flottabilité centrifuge,Compressiblilité,Turbomachine

Keywords

LBM,Aerothermal,Bore-Cooling,Buoyancy Flows,Compressible,Turbomachinery

Titre de thèse

Modélisation aérothermique avancée des cavités bore-cooling dans les compresseurs HP
Aerothermal lattice-Boltzmann modeling of bore-cooling cavities in High-Pressure compressors

Date

Mercredi 6 Novembre 2024 à 9:00

Adresse

CERFACS 42 Avenue Gaspard Coriolis 31100 Toulouse Salle Séminaire

Jury

Directeur de these M. Pierre SAGAUT Aix-Marseille Université
Rapporteur M. Adrien TOUTANT Université de Perpignan
Rapporteur M. Jonas LATT Université de Genève
Examinateur Mme Bérangère PODVIN CNRS, EM2C
Président M. Nicolas BINDER ISAE-SUPAERO

Résumé de la thèse

Les moteurs à double flux de nouvelle génération exigent une gestion optimale des échanges de chaleur au sein des disques de rotor dans les étages de compresseur et de turbine pour assurer leur efficacité, leur fiabilité et leur durabilité. Ces moteurs fonctionnent à des rapports de pression et des températures d'entrée de turbine de plus en plus élevés, générant des charges thermiques considérables sur les disques de rotor. Afin de répondre à ces contraintes, un circuit de refroidissement, appelé bore-cooling, est intégré autour de l'arbre central. La modélisation de ces circuits est complexe en raison de structures tourbillonnaires et instables, résultant de la convection forcée (due au flux axial) et de la convection naturelle (due à la flottabilité centrifuge). Récemment, les modèles LES ont démontré une meilleure capacité à capturer cette dynamique instationnaire que les modèles RANS traditionnels. Cependant, leur application à l'échelle industrielle reste un défi majeur en raison des temps de calcul élevés. Cette thèse se concentre sur l'amélioration du modèle compressible de la méthode de Boltzmann sur réseau pour modéliser les écoulements dans ces circuits, ayant démontré un grand potentiel pour capturer cette physique complexe en des temps de calcul abordables. Les contributions clés incluent l'extension de la méthode pour modéliser les écoulements en référentiel tournant, intégrant les forces de Coriolis et centrifuge. De plus, un algorithme de raffinement de maillage a été adapté permettant une meilleure conservation de la masse aux transitions de grille en référentiel tournant. Une nouvelle condition limite basée sur la reconstruction des fonctions de distribution a été développé pour améliorer la précision des prédictions de transfert de chaleur. Enfin le modèle de paroi a été étendu pour inclure les effets thermiques, permettant de modéliser des configurations à fort taux de flottabilité. Le modèle a finalement été validé sur des configurations de complexité croissante, allant d'une cavité annulaire fermée à un banc d'essai à multiples cavités, démontrant un bon accord avec les profils de température, des résultats raisonnables de transfert de chaleur et la capacité de reproduire les effets de compressibilité induisant une atténuation des instabilités de Rayleigh-Bénard. Cette thèse établit donc une base solide pour de futurs développements dans la simulation des circuits de refroidissement des turbomachines à l'échelle industrielle.

Thesis resume

Next-generation turbofan engines require optimal heat transfer control within the rotor disks in the compressor and turbine stages to ensure their efficiency, reliability, and longevity. These engines operate under higher pressure ratios and turbine inlet temperatures, which subject rotor blades and disks to significant thermal stresses. To address these challenges, a bore-cooling system with rotating cavities around the central shaft is utilized. Predicting heat transfer in these cavities is complex due to the dynamic vortex structures induced by both forced convection (from axial throughflow) and natural convection (from centrifugal buoyancy). Advanced Large Eddy Simulation (LES) models have proven more effective in capturing these dynamic processes compared to traditional Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) models. However, implementing these simulations at an industrial scale remains computationally demanding. This PhD thesis focuses on advancing the compressible lattice-Boltzmann method for modeling rotating cavity flows, showing promise in capturing this complex flow physics. Key contributions include the extension of the method to model rotating flows in a local reference frame by incorporating Coriolis and centrifugal force terms. Furthermore, a direct-coupling refinement algorithm is tailored to improve mass conservation at grid interfaces. A new mass-conservative boundary treatment based on the reconstruction of distribution functions is proposed to enhance accuracy for heat transfer predictions. Then, a wall model is extended to include thermal effects, enabling the simulation of configurations at higher Rayleigh numbers. The model's capabilities were validated against increasingly complex configurations, ranging from a sealed annular cavity to a multi-stage cavity rig. Results showed good agreement with temperature measurements, reasonable heat transfer predictions, and the ability to replicate compressibility effects that attenuate Rayleigh-Bénard instabilities. This thesis establishes a robust foundation for future innovations in simulating turbomachinery bore-cooling circuits at an industrial scale.