Etude des méthodes lattice Boltzmann pour les simulations de systèmes d'air secondaires de turbomachines

Investigation of lattice Boltzmann methods for turbomachinery secondary air system simulations

• Auteur / Autrice : Gauthier Wissocq
• Direction : Pierre Sagaut, Jean-François Boussuge
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécaniques des fluides
• Date : Soutenance le 04/12/2019
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences pour l'ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique, Modélisation et Procédés Propres (M2P2) (Marseille, Aix-en-Provence)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Gourdain
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Françoise Bataille, Farid Benyoucef
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tony Arts, Florian de Vuyst

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthode de Boltzmann sur réseau

Turbomachines

Moteurs -- Systèmes de refroidissement

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Lbm

Cavités tournantes

Stabilité linéaire

Lbm

Lattice Boltzmann method

Rotating cavities

Linear stability

Résumé

Ce manuscrit présente une étude du potentiel des méthodes lattice Boltzmann pour traiter des écoulements circulant dans les systèmes de refroidissement des turbomachines. La combinaison de phénomènes physiques complexes donne naissance à des structures instationnaires, non-axisymmétriques et de période a priori inconnue. Leur bonne modélisation représente un défi pour la simulation numérique en mécanique des fluides. Ce travail peut être divisé en trois sous-parties. Une étude physique des instabilités à l'origine des structures tourbillonnaires est d'abord effectuée par analyse de stabilité linéaire des écoulements. Ensuite, les méthodes lattice Boltzmann sont introduites et leurs problèmes de stabilités numériques sont étudiés via des analyses basées sur l'approche de von Neumann. Enfin, la méthode est évaluée sur des simulations académiques de complexité croissante représentatives des systèmes d'air secondaire, nécessitant des simulations à flux de chaleur conjugués

This thesis provides an investigation on the use of lattice Boltzmann methods to treat turbomachinery secondary cooling systel flows. The combination of complex physical phenomena (rotating environment with high temperature fluctuations) gives rise to unsteady, non-axisymmetric structures with a priori unknown periodicity. Their modelling, required for a correct heat transfer prediction, represents a challenge for numerical simulations in fluid mechanics. This work can be divided into three sub-sections. A physical study of the instabilities at the origin of unsteady structures is first carried out by analyzing the linear stability of the flows. Lattice Boltzmann methods are then introduced and their numerical stability issues are studied through analyses based on the von Neumann approach. Finally, the method is assessed on academic simulations of increasing complexity representative of secondary air systems, requiring conjugate heat transfer simulations