Évaluation de l’approche RANS pour l’étude des écoulements avec points chauds dans les turbines refroidies

Investigation of RANS approach for the prediction of cooled turbine stage flows submitted to swirled hot streaks

• Auteur / Autrice : Christopher Wingel
• Direction : Nicolas Binder, Yannick Bousquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 08/09/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Énergétique et dynamique des fluides (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département aérodynamique, énergétique et propulsion
• Jury : Président / Présidente : Sofiane Khelladi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Binder, Yannick Bousquet, Stéphane Aubert, Tom Verstraete, Jean-François Boussuge, Sébastien Le Guyader, Julien Marty
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Aubert, Tom Verstraete

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Turbines

Turbulence

Mots clés libres

Rans

Les

Turbulence

Turbine haute-Pression

Point chaud

Rans

Les

Turbulence

High-Pressure turbine

Hot streak

Résumé

Pour atteindre l'Accord de Paris sur le climat, tous les acteurs du Monde sont appelés à limiter et à réduire de façon drastique leurs émissions de gaz à effet de serre. Parmi ces acteurs, ceux du secteur aérien, comme Safran Helicopter Engines qui est à l'origine de cette thèse, s'inscrivent dans cette démarche environnementale en proposant de nouvelles technologies de combustion visant à réduire les émissions de NOx : les combustions à mélange pauvre. Néanmoins, ce genre de technologie conduit à un écoulement complexe en entrée de turbine haute-pression, caractérisé par des forts niveaux de turbulence et des points chauds swirlés. Ce type d'écoulement impacte toute l'aérodynamique et l'aérothermique de l'étage de turbine, qui peut, dans le pire des cas, causer des dommages irréversibles. La prédiction fiable de cet écoulement de point chaud swirlé doit donc se faire en amont avec des simulations numériques.Dans ce travail de thèse, l'approche RANS est évaluée sur la configuration du projet FACTOR, où des données LES et expérimentales sont disponibles. Un premier état des lieux sur cette géométrie de turbine haute-pression avec des simulations stationnaires et instationnaires, et avec prise en compte ou non du refroidissement confirme un écoulement complexe à prédire, particulièrement du point de vue de la turbulence. Une configuration simplifiée est donc déclinée pour l'analyse d'un point chaud swirlé turbulent grâce à des LES et pour la calibration de simulations RANS. Cette étude révèle que la diffusion joue un rôle important dans le transport d'un point chaud dans un canal courbé, la diffusion étant pilotée par l'échelle de dissipation de la turbulence, qui est évaluée au travers une échelle intégrale de turbulence. Un bilan d'énergie cinétique turbulente permet de décrire les mécanismes principaux qui gouvernent l'écoulement. Des études complémentaires basées sur l'analyse de Lumley montrent une forte anisotropie de la turbulence qui ne peut pas être correctement capturée par les modèles de turbulence RANS suivant l'hypothèse de Boussinesq. Ainsi, les modèles EARSM et RSM sont prometteurs, car ils permettent de retrouver la sensibilité à la courbure et à la rotation.Avec l'expérience acquise grâce à cette étude académique, la configuration FACTOR est de nouveau traitée. Les modèles de turbulence anisotropes sont évalués, mais les résultats manquent de prédictibilité quand ils sont comparés aux essais. Deux problèmes sont mis en avant au niveau de la condition aux limites : des erreurs de mesure au plan d'entrée de la turbine haute-pression (P40) en raison des forts niveaux de giration, et une nature instationnaire du P40 en raison de la présence d'une instabilité hydrodynamique. Les analyses montrent que le premier point est d'une importance capitale, alors que le second améliore les résultats dans une moindre mesure.

To fulfil Paris Agreement on climate change, a drastic decrease of CO2 and non-CO2 emissions must be done from all sectors in every part of the world. Particularly, the aeronautical sector cannot get away with it, and Safran Helicopter Engines, which is at the origin of this thesis, is enrolled in this process, by proposing new technologies of engine combustion that reduce NOx emissions (lean burn combustion). While having a beneficial impact on NOx emissions, such technologies lead to a highly complex flow at the inlet of the high-pressure turbine, characterised by high levels of turbulence, swirling motion and hot streaks. Even if it can cause irreversible damages in the worst case, such flow impacts the aerodynamics and aerothermal of the whole high-pressure turbine, and the reliable prediction of this type of flow must be performed with numerical simulations.In this work, the RANS method is evaluated on the FACTOR project, where LES and experimental results are available. A first inventory on this high-pressure turbine geometry with steady and unsteady simulations, and by considering or not cooling confirms a complex flow to predict, especially in terms of turbulence. A simplified configuration is therefore studied for the analysis of a highly turbulent swirled hot streak flow by means of LES and the calibration of RANS method. It reveals that diffusion plays of major role in the transport of hot streak in a bent channel, diffusion being piloted by the dissipation scale of turbulence, which is evaluated in this work through an integral length scale. A turbulent kinetic energy budget applied to the channel delineates the main mechanisms that governs the flow. Further studies using Lumley’s theory also show a strong anisotropy of turbulence developing inside the channel, that cannot be correctly captured with classical RANS turbulence models following Boussinesq’s hypothesis. In that sense, EARSM and RSM turbulence models seem a promising solution, as they enable to retrieve the effects of curvature and rotation.Following the experience gained from this academic study, the FACTOR configuration is tackled again. Anisotropic turbulence models are applied, but still suffer from a lack of predictivity when looking at temperature profiles. Two problems are put forward: measurement errors at the inlet of the high-pressure turbine (P40) because of the high levels of swirl, and an unsteady nature of P40 due to the presence of a Precessing Vortex Core. Investigations show that the first point is of major importance, while the second improves the results to a lesser extent.