Soutenance de thèse de Mathieu CATCHIRAYER

Au regard des défis énergétiques rencontrés par les motoristes aéronautiques, une meilleure compréhension des écoulements régissant leurs turbomachines est néessaire. La simulation aux grandes échelles (LES) est une approche adaptée à cette quête d’innovation. Cependant, son coût de résolution d’une couche limite aux nombres de Reynolds rencontrés en aéronautique est prohibitif par rapport aux moyens de calcul actuels. Une manière de surmonter cette limitation est de recourir à une approche WMLES (Wall-Modeled LES). Elle consiste à ne résoudre que la zone externe d’une couche limite et à en extraire les données nécessaires à l’estimation des flux pariétaux par un modèle de paroi, qui va modéliser les effets de la zone interne. La WMLES ne dispose toutefois pas encore d’un niveau de maturité suffisant pour être appliquée sur des géométries industrielles. Cela s’explique notamment par l’absence d’un modèle de paroi adapté à de tels écoulements. L’objectif de cette thèse est ainsi d’accélérer l’emploi d’une approche WMLES pour prédire les écoulements présents dans les turbomachines. À cette fin, un modèle de paroi est développé : l'iWMLES (integral WMLES). Ce modèle est basé sur une résolution des équations de couche limite intégrales à partir de profils de vitesse et de température paramétrisés, ce qui lui permet d’être peu gourmand en ressources de calcul et simple d’utilisation. Dans un premier temps, l’aptitude de l’iWMLES à prendre en compte les effets de compressibilités, thermiques et de gradients de pression caractérisant les couches limites d’une turbomachine est démontrée sur des écoulements académiques. Il s’avère en particulier que l’iWMLES permet d’obtenir des résultats en accord avec les données de référence à un coût de calcul un à deux ordres de grandeurs plus faible qu’un modèle de paroi numérique supposant pourtant une physique pariétale plus simple. Finalement, l’iWMLES est appliquée sur un étage de compresseur axial, démontrant sa robustesse. De plus, en comparant les résultats avec ceux d’une LES, il est montré qu’une approche WMLES peut être considéré pour prédire l’écoulement dans de telles géométries. Toutefois, des erreurs importantes peuvent être générées selon la stratégie de maillage employée.

In view of the energy challenges faced by aircraft engine manufacturers, a better understanding of the flows governing their turbomachines is needed. Large-eddy simulation (LES) is an approach adapted to this quest for innovation. However, the required cost in order to solve in LES a boundary layer to the Reynolds numbers encountered in aeronautics is prohibitive with respect to the current computational means. One way to overcome this limitation is to use a WMLES (Wall-Modeled LES) approach. It consists in solving only the outer layer of a boundary layer and extracting the data required to estimate the wall fluxes by a wall model, which will model the effects of the inner layer. However, WMLES does not yet have a sufficient level of maturity to be applied to industrial geometries. This is due in particular to the absence of a wall model suited to such flows. The objective of this thesis is to accelerate the use of a WMLES approach to predict turbomachinery flows. At this end, a wall model is developed: the iWMLES (integral WMLES). This model is based on a resolution of the integral boundary layer equations from parameterized velocity and temperature profiles, which enables it to be low in computational resources and easy to use. First, the ability of iWMLES to take into account the compressibility, thermal and pressure gradient effects characterizing the boundary layers present in a turbomachine is demonstrated on academic cases. In particular, it appears that the iWMLES allows to obtain results in agreement with the reference data at a computational cost one to two orders of magnitude lower than a numerical wall model, which is nevertheless based on a simpler parietal physics. Finally, the iWMLES is applied to an axial compressor stage, demonstrating its robustness. In addition, by comparing the results with those of a LES, it is shown that a WMLES approach can be considered to predict flow in such geometries. However, significant errors can be generated depending on the mesh strategy employed.