Advanced modelling of multiperforated plates for large eddy simulation in aeronautic engines of new generation - Thèses de Toulouse INP
Thèse Année : 2024

Advanced modelling of multiperforated plates for large eddy simulation in aeronautic engines of new generation

Modélisation avancée de plaques multiperforées pour les simulations aux grandes échelles de moteurs aéronautiques de nouvelle génération

Résumé

In the field of aeronautical engineering, combustion chambers of airplane and helicopter engines endure extreme thermal constraints. Over time, various technologies have been developed to enhance the resilience of these chamber walls against such constraints. One of the most advanced and widely used technologies today is multiperforation, which involves laser-drilling thousands of small holes around the circumference of the chamber walls. Similar to a transpiration process, this technique allows fresh air to pass through the walls, forming a protective thermal layer. By producing a uniform and adherent layer, the walls are better shielded against thermal constraints.To understand the multi-physics phenomena observed in a combustion chamber, large-scale simulation has become an essential tool. However, the large number and small size of the perforations make it difficult to simulate flow therein without significantly increasing computational and engineering costs. To address this issue, multiperforation models have been developed with the aim of reproducing the main dynamics of multiperforations at a lower cost. These models are based on the concept of bypassing the resolution of flow within the perforations by imposing sink and source terms to represent the suction and injection of cooling air in the domain, on either side of the wall.Among these models, a homogeneous model has been advanced, which uniformly imposes the flow over the entire wall surface, thereby assimilating multiperforation to a porous wall. This initial model was then improved to account for the spatial discretisation of air jets. Based on a more localised injection of flow, this heterogeneous model has thus improved the representativeness of multiperforations while retaining an acceptable computational cost.These two models are however limited by the assumption of a stationary and uniformly distributed multiperforation mass flow rate, estimated by low-order methods. Indeed, these assumptions are inadequate in simulations involving complex geometries and highly unsteady flows, particularly when studying transient phenomena such as ignition or extinction, or in the presence of thermoacoustic phenomena. Therefore, the objective of this thesis is to overcome these limitations and enhance the representativeness of the multiperforation model.The studied approach aims to accurately reproduce the spatial and temporal distribution of the cooling mass flow rate, as observed in resolved multiperforations.In other words, the goal is to estimate the mass flow rate of each hole during the simulation and integrate it locally within the framework of the heterogeneous model.Preliminary studies have allowed for the analysis of the spatial and temporal behaviour of the multiperforation mass flow rate through industrial and academic configurations, and to assess the impact of mass flow rate heterogeneity on wall thermal behaviour.These results have led to the development of a mass flow rate model for multiperforations, with a focus on modelling the discharge coefficient.This model was then implemented in a large eddy simulation code to reproduce spatial and temporal heterogeneities based on local physical quantities within the framework of the heterogeneous model.
Dans le domaine de l'ingénierie aéronautique, les chambres de combustion de moteurs d'avion et d'hélicoptère subissent des contraintes thermiques extrêmes. Pour améliorer la résilience des parois de ces chambres face à ces contraintes, diverses technologies ont été développées au fil du temps. L'une des technologies les plus avancées et largement utilisée aujourd'hui est la multiperforation. Une des technologies de refroidissement les plus abouties et utilisées aujourd'hui, appelée multiperforation, qui consiste à percer de milliers de petits trous sur toute la circonférence des parois de la chambre. Semblable à un effet de transpiration, cette technique permet à de l'air frais de traverser la paroi, formant ainsi une couche de protection thermique. En produisant une couche uniforme et adhérente à la paroi, celle-ci est mieux protégée contre les contraintes thermiques.Pour comprendre les phénomènes multi-physiques observés dans une chambre de combustion, la simulation à grande échelle est devenue un outil essentiel. Cependant, le grand nombre et la petite taille des perçages ne permettent pas d'y simuler l'écoulement sans pénaliser fortement les coûts de calcul et coûts ingénieurs. Pour résoudre ce problème, des modèles de multiperforations ont été développés avec pour objectif de reproduire à moindre coût la dynamique principale des multiperforations. Ces modèles reposent sur l'idée de contourner la résolution de l'écoulement dans les perçages en imposant des termes puits et sources pour représenter l'injection et l'aspiration de l'air de refroidissement dans le domaine, de part et d'autre de la paroi. Parmi ces modèles, un modèle homogène a été poussé, qui impose uniformément le débit sur toute la surface pariétale, assimilant ainsi la multiperforation à une paroi poreuse. Ce premier modèle a ensuite été amélioré pour tenir compte de la discrétisation spatiale des jets d'air. Basé sur une injection plus localisée du débit, ce modèle hétérogène a ainsi permis d'améliorer la représentativité des multiperforations tout en conservant un coût de calcul acceptable.Ces deux modèles sont cependant limités par l'hypothèse d'un débit de multiperforation stationnaire et uniformément réparti, estimé par des méthodes bas-ordre. En effet, ces hypothèses font défaut dans des simulations impliquant des géométries complexes et des écoulements fortement instationnaires, notamment lors de l'étude de phénomènes transitoirs tels que l'allumage ou l'extinction, ou en présence de phénomènes thermo-acoustiques.L'objectif de cette thèse est donc de surmonter ces limites et d'améliorer la représentativité du modèle de multiperforation. L'approche étudiée vise à reproduire de manière précise la distribution spatiale et temporelle du débit de refroidissement, telle qu'elle serait observée dans des multiperforations résolues. En d'autres termes, l'objectif est d'estimer le débit de chaque trou au cours de la simulation et de l'intégrer localement dans le formalisme du modèle hétérogène. Des études préliminaires ont permis d'analyser le comportement spatial et temporel du débit de multiperforation au travers de configurations industrielles et académiques, et d'évaluer l'impact de l'hétérogénéité de débit sur la thermique de la paroi.Ces résultats ont conduit à la construction d'un modèle de débit pour les multiperforations, en mettant l'accent sur la modélisation du coefficient de décharge. Ce modèle a ensuite été implémenté dans un code de simulation aux grandes échelles pour reproduire les hétérogénéités spatiales et temporelles à partir de grandeurs physiques locales dans le formalisme du modèle hétérogène.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04692041 , version 1 (09-09-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04692041 , version 1

Citer

Thibault Duranton. Advanced modelling of multiperforated plates for large eddy simulation in aeronautic engines of new generation. Fluid Dynamics [physics.flu-dyn]. Université de Toulouse, 2024. English. ⟨NNT : 2024TLSEP046⟩. ⟨tel-04692041⟩
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