Modélisation couplée des transferts thermiques en milieu réactif : caractérisation d’une torche de certification à la tenue au feu des carters de moteurs d’hélicoptères

Modeling of conjugate heat transfer including radiation in reactive medium : certification burner characterisation for fire resistance tests of helicopter engine casing

• Auteur / Autrice : Lancelot Boulet
• Direction : Mourad Boukhalfa, Vincent Moureau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 20/12/2018
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Grisch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mourad Boukhalfa, Vincent Moureau, Anouar Soufiani, Benoit Rousseau, Florent Duchaine, Ronan Vicquelin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anouar Soufiani, Benoit Rousseau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aérothermodynamique

Essais de comportement au feu

Moteurs

Hélicoptères

Combustion

Turbulence

Transfert radiatif

Simulation des grandes échelles

Transfert de chaleur

Mots clés libres

Transferts de chaleur conjugués

Combustion turbulente

Torche de kérosène

Tenue au feu

Norme Iso 2685

Conjugate Heat Transfer

Large-Eddy Simulation

Radiative transfer

Turbulent combustion

Torch of kerosene

Fire resistance test

Iso2685

Résumé

Les normes internationales exigent que les équipements aéronautiques soient certifiés en termes de résistance aux incendies. Une démonstration de tenue au feu repose sur des essais réalisés sur les équipements à certifier en toute fin de développement. Les tests les plus durs nécessitent l’usage d’une flamme de kérosène standardisée, à température et flux imposés, orientée vers le carter de moteur pendant une certaine durée. L’objectif de ce présent travail est de fournir une meilleure caractérisation de cette torche de certification kérosène/air afin de minimiser les risques d’un échec lors d’un essai de tenue au feu. Dans cette optique, la simulation aux grandes échelles (LES) du brûleur avec transferts de chaleur conjugués est réalisée en couplant : i) un solveur d’écoulement diphasique réactif sous l’hypothèse d’un faible nombre de Mach basé sur la méthode aux volumes finis, ii) un solveur de transfert radiatif utilisant la Méthode aux Ordonnées Discrètes, iii) un solveur volumes finis de transfert thermique pour la conduction au sein des solides. Ces trois solveurs sont couplés de manière asynchrone à l’aide des librairies OpenPALM/CWIPI. Des développements sont effectués pour s’assurer que chaque solveur individuel, qui résout un transfert thermique donné, puisse communiquer correctement avec les autres. Une étude numérique instationnaire d’un écoulement laminaire, s’appuyant sur le cas-test INTRIG, est menée pour valider l’implémentation du couplage entre les phénomènes de conduction, convection et rayonnement. Le cas révèle que les transferts radiatifs modifient l’équilibre énergétique du système et le rayonnement des gaz chauds augmente significativement la température du solide d’émissivité élevée. Ensuite, un cas de calcul adiabatique de référence portant sur le brûleur de certification est mis en place. Les conditions d’entrée, comme l’écoulement d’air swirlé et les caractéristiques du spray, sont ajustées grâce aux données expérimentales. Les simulations permettent d’expliquer la phénoménologie de combustion qui prend place à l’intérieur de la torche. Deuxièmement, un cas de calcul entièrement couplé est considéré, prenant en compte les trois modes de transfert du système : la conduction dans les parties solides du brûleur, la convection naturelle sur ses parois externes et le rayonnement des parois et/ou des gaz chauds. Tous ces modes sont couplés pour arriver à une description détaillée des différents transferts thermiques. Ceci met en évidence que la conduction dans le solide a un impact concret sur la topologie de la flamme et des régimes de combustion. En l’absence de rayonnement, des températures irréalistes du brûleur sont atteintes, alors qu’en incluant ces effets, les niveaux de températures obtenus sont bien plus proches des mesures expérimentales.

International aeronautic standards require a fire certification for engines that demonstrate their resistance. This demonstration relies on tests performed with prototype engines in the late stages of the development. Hardest tests consist in placing a kerosene standardized flame in front of the engine casing during a given time with imposed temperature and heat flux. The aim of this work is to provide a better characterization of a kerosene/air certification burner in order to minimize the risks of an experimental test failure. To this purpose, Large-Eddy Simulations (LES) of the conjugate heat transfer in this certification burner are carried out by coupling : i) a reactive low-Mach number and two-phase flow solver based on the finite-volume method, ii) a radiative heat transfer solver based on the Discrete Ordinate Method, iii) a finite-volume heat transfer solver for the conduction in the solid. All these solvers are coupled asynchronously with the OpenPALM/CWIPI libraries. Developments were made to make sure that each individual solver, that solve one heat transfer, can communicate amongst themselves. An unsteady study of a laminar flow, based on the INTRIG numerical test-case, is led to validate this implementation of coupling between convection, conduction and radiation. It shows that radiative heat transfer modify the energy balance and that radiation of hot gases modify significantly the temperature of the solid with high emissivity. Then, a first adiabatic reference computation of the certification burner is performed. Inlet conditions, air swirled flow and spray features, are adjusted thanks to experimental data. Simulations allow to explain the combustion phenomenology inside the burner. Second, a fully integrated simulation is considered, taking into account the three heat transfer modes inside the system : conduction in the solid parts of the burner, natural convection on the torch skin and radiation of the walls and/or the hot gases. All these modes are coupled to achieve a detailed description of the three heat transfers. It highlights the fact that conduction inside the solid has an important impact on the flame topology and the combustion regime. While in the absence of radiative heat transfer, unrealistic temperature of the equipment is obtained, including it allows to reach a temperature closer to experimental measurements.