Développement d'une méthodologie prédictive du refroidissement par film sur aubages

Development of a predictive methodology for film cooling on turbine blades

• Auteur / Autrice : Shubham Agarwal
• Direction : Laurent Gicquel, Florent Duchaine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 27/10/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique (Toulouse)
• Jury : Président / Présidente : Eva Dorignac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Gicquel, Florent Duchaine, Eva Dorignac
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tom Verstraete, Marlène Sanjosé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique des fluides

Simulation des grandes échelles

Mots clés libres

Simulations aux Grandes Échelle

Trous de refroidissement façonné

Film de refroidissement

Optimisation

Large Eddy Simulation

Shaped cooling holes

Film cooling

Optimization

Résumé

Cette thèse, financée par Safran Aircraft Engines, se concentre sur l'optimisation et l'étude des trous de refroidissement du film déployés sur la première rangée d'aubes de turbines stationnaires via le formalisme de la simulation des grandes turbulences (LES). Le problème industriel complexe est simplifié en un problème académique et l'étude et l'optimisation sont effectuées pour un trou de forme unique sur une plaque de fiat. Le manuscrit est donc divisé en deux sections, la première se concentrant sur l'étude de l'écoulement des fluides à partir d'un trou de refroidissement façonné par rapport à un trou cylindrique plus simple. L'écoulement à l'intérieur de la perforation et celui au-dessus de la plaque de fiat sont examinés. Des techniques spectrales telles que la décomposition en modes dynamiques (OMO) sont utilisées pour identifier les modes d'écoulement les plus importants à l'intérieur du trou de refroidissement et des approches statistiques telles que les fonctions de probabilité et d'intensité (POF) sont construites pour illustrer le comportement thermique près de la paroi de l'écoulement instable du liquide de refroidissement au-dessus de la plaque de fiat. La deuxième partie de la thèse est ensuite consacrée à la recherche de la forme optimale du trou de refroidissement par le biais d'un processus d'optimisation assisté par ordinateur en combinaison avec LES. Une technique d'optimisation bayésienne appelée Efficient Global Optimization (EGO) basée sur l'approximation de substitution de Kriging et la fonction Expected Improvement (El) est utilisée pour trouver le meilleur ajustement des différents paramètres définissant une géométrie de trou pour une performance de refroidissement maximale. La configuration numérique LES et la configuration d'optimisation nécessaires pour traiter un tel problème de conception sont également démontrées. Le trou de forme optimale finalement obtenu présente des performances de refroidissement bien supérieures à celles d'une forme de référence sélectionnée à des fins de comparaison. L'influence des paramètres de conception du trou formé est finalement démontrée par le biais d'une analyse de surface de réponse et d'une étude de sensibilité des paramètres basée sur les indices de Sobol. Ces résultats sont complétés par une comparaison de flux entre la forme optimale et d'autres formes afin d'illustrer l'influence de la conception du trou façonné sur le refroidissement du film. Dans l'ensemble, il est démontré que la LES capture avec succès les phénomènes d'écoulement instables caractéristiques des jets dans un écoulement transversal tel que le refroidissement par film et, lorsqu'elle est utilisée comme choix privilégié pour les études d'optimisation de la conception paramétrique, elle donne des résultats fiables.

This thesis, funded by Safran Aircraft Engines, focuses on the optimization and study of the film cooling holes deployed on the first row of stationary turbine blades via the large Eddy Simulation (LES) formalism. The complex industrial problem is simplified into an academic one and the study and optimization is carried out for a single shaped hole on a fiat plate. The manuscript is hence divided into two sections, the first of which focuses on the study of the fluid flow from a shaped cooling hole in comparison to a simpler cylindrical one. Both the flow within the perforation and that over the fiat plate is discussed. Spectral techniques such as Dynamic Mode Decomposition (OMO) are used to identify the most important flow modes inside the cooling hole and statistical approaches such as Probability Oensity Functions (POFs) are constructed to illustrate the near­wall thermal behavior of the unsteady coolant flow over the fiat plate. The 2nd section of the thesis is then dedicated to finding the optimal shaped cooling hole via a computer-aided optimization process in combination with LES. A Bayesian optimization technique called the Efficient Global Optimization (EGO) based on Kriging surrogate approximation and Expected lmprovement (El) function is used to find the the best fit of various parameters defining a hole geometry for maximum cooling performance. The LES numerical setup and the optimization setup needed to address such a design problem is also demonstrated. The optimal shaped hole finally obtained is shown to have a far higher cooling performance over a reference shape selected for comparison. The influence of shaped hole design parameters is eventually demonstrated via a response surface analysis and a parameter sensitivity study based on Sobol indices. This is complimented by a flow comparison between the optimal and other shapes to illustrate the influence of shaped hole design on film cooling. Overall, it is shown that the LES successfully captures the unsteady flow phenomena characteristic to jets in cross flow such as film cooling and when used as the preferred choice for parametric design optimization studies gives reliable results.