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.