Simulation numérique de l’écoulement air-huile dans une enceinte moteur

Numerical simulation of the air-oil flow in an engine bearing chamber

• Auteur / Autrice : Nikolay Kirov
• Direction : Jean-Luc Estivalèzes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 25/03/2024
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Équipe d'accueil doctoral Énergétique et dynamique des fluides (Toulouse, Haute-Garonne)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Trontin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Estivalèzes, Stéphane Vincent, Nicolas Grenier, Annafederica Urbano, Jean-Mathieu Senoner
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Trontin, Stéphane Vincent
• DOI : 10.70675/537a2ee2z4c34z4a37zb776z3a49a8193d0f

Mots clés

Mots clés contrôlés

Avions -- Moteurs

Modélisation CFD

Air -- Écoulement

Mots clés libres

Dynamique des fluides numérique

Enceinte à huile

Écoulement air-Huile

Approche couplée EITF-DPM

Approche à interface diffuse

Moteur d'avion

Computational fluid dynamics

Bearing chamber

Air-Oil flow

Coupled EITF-DPM approach

Diffuse-Interface approach

Aero engine

Résumé

La tendance actuelle vers des moteurs d'avion plus puissants et plus économes en carburant crée le besoin de roulements capables de transférer des charges mécaniques plus élevées entre les composants rotatifs et fixes de la machine, à des températures extrêmes et à des régimes moteur plus élevés. Les roulements nécessitent d'être lubrifié en permanence avec une huile spécialisée afin de réduire les frottements, de dissiper la chaleur, d'éloigner les minuscules débris et ainsi d'assurer l'intégrité mécanique du moteur.Les débits massiques d'huile qui en résultent au sein du moteur sont importants et le lubrifiant doit donc être recyclé en permanence via un système de recirculation d'huile. En conséquence, les roulements sont enfermés dans des enceintes, constitués de joints étanchéités et des roulements eux-mêmes. Les enceintes à huile sont essentiellement des chambres étanches adjacentes aux roulements, ou parfois les enfermant, dans lesquelles l'huile éjectée est canalisée après la lubrification. Ils sont généralement scellés avec de l'air sous pression du côté opposé, qui passe à travers un joint labyrinthe afin d'empêcher tout écoulement sortant. En règle générale, une ouverture d'orifice de ventilation est incluse sur le dessus pour permettre à l'air de s'échapper, et une ouverture d'orifice de récupération est située près du bas pour ramener l'huile vers les pompes de récupération d'huile vers le réservoir.À l'intérieur de l'enceinte, l'huile et l'air forment un écoulement complexe à deux phases, dans lequel les effets centrifuges, le cisaillement aérodynamique et les forces de gravité provoquent la dispersion de la majorité de l'huile dans l' enceinte huile et s'accumulent sous forme de film dans les parois extérieures. Un transfert de chaleur de ces parois vers l'huile pré-refroidie à lieu, lui conférant ainsi une fonction secondaire importante : absorber une partie de la chaleur et donc refroidir l'enceinte. Il est cependant important que l'huile des roulements soit collectée et renvoyée au réservoir avant d'atteindre des températures trop élevées, afin d'éviter la cokéfaction ou, pire encore, l'inflammation, qui pourrait déclencher un incendie dans l'enceinte. La physique complexe des écoulements diphasiques conduit à un problème d'optimisation qui ne peut être résolu que via des simulations numériques.À ce jour, une quantité considérable d’incertitude demeure quant à la pratique de modélisation informatique la plus optimale pour une simulation précise, fiable et rentable des chambres de roulements dans différentes conditions de fonctionnement. L'objectif de cette thèse est donc de tester plusieurs approches de modélisation numérique pour la simulation d'un banc d'essai simplifié de enceinte, ici nommé ELUBSYS, pour lequel certaines mesures expérimentales sont disponibles et peuvent être utilisées pour fournir des moyens de validation desdites approches. Il s’agit, à savoir, d’une approche interfaciale multi-fluide à interface diffuse, d’une approche simplifiée Eulerian Integral Thin Film (EITF), d’une approche à phase dispersée Lagrangienne (Disperse Particles Model, DPM) et, enfin, d’une approche couplée EITF-DPM. Au cours de toutes ces investigations, de nouvelles connaissances ont été acquises sur les caractéristiques de l'écoulement, les paramètres d'influence et les performances globales, par rapport aux données expérimentales pour deux configurations de chambres de roulements sous une variété de débits massiques d'huile et de vitesses de rotation de l'arbre.La méthodologie couplée EITF-DPM s'est avérée obtenir une bonne précision pour les mesures de distribution d'épaisseur de film pour un coût contenu et pour une variété de régimes de fonctionnement.

The current trend towards more powerful and fuel-efficient aircraft engines produces the need for bearings, capable of transferring higher mechanical loads between rotating and stationary machine components, at extreme temperatures and higher engine speeds. The bearings demand lubrication oil at all times in order to reduce friction, dissipate heat, drive tiny debris away and therefore ensure the mechanical integrity of the engine.The resulting oil mass flow rates within the engine are significant and thus the lubricant must be continuously recycled via an oil recirculation system. As a result, the bearings are encompassed within oil sumps, consisting of chambers, seals and the bearings themselves. The bearing chambers are essentially sealed chambers adjacent to, or sometimes enclosing the bearings, whereby the ejected oil is channeled into after lubrication. They are typically sealed with pressurised air on the opposite side, which is passed through a labyrinth seal in order to provide flow obstruction. Typically, a vent port opening is included on the top for the air to escape, and a scavenge port opening is located near the bottom to lead the oil to the oil scavenge pumps back to the reservoir.While still contained within the bearing chamber, the oil and the air form a complex two-phase flow, whereby centrifugal effects, aerodynamic shear and gravity forces cause the majority of the oil to disperse within the bearing chamber and accumulate as film on its outer stationary walls. Heat transfer from these walls to the pre-cooled oil takes place, therefore giving it an important secondary function - to absorb some of the heat and therefore cool the bearing chamber enclosure. It is important, however, that the oil from the bearings is collected and returned to the reservoir before reaching temperatures that are too high, in order to avoid coking or even worse - ignition, that can start a fire within the bearing chamber. The complex two-phase flow physics lead to an optimisation problem which can only be tackled via numerical simulations.To date, a considerable amount of uncertainty remains concerning the most optimal computational modelling practice for the accurate, reliable and cost-efficient simulation of bearing chambers across different operating conditions. The objective of this thesis, is therefore to test several computational modelling approaches for the simulation of a simplified bearing chamber test rig, hereby named ELUBSYS, for which some experimental measurements are available that can be used to provide means of validation of the said approaches. These are, namely, an interfacial multi-fluid diffuse-interface approach, an Eulerian Integral Thin Film (EITF) approach, a two-way coupled Discrete Parcel Method approach, and, lastly, an EITF-DPM coupled approach. During all of these investigations, new knowledge has been gained for the flow field characteristics, influencing parameters and overall predictory performance, as compared to the experimental data for two bearing chamber configurations under a variety of oil mass flow rates and shaft rotational speeds.The cost-efficient coupled EITF-DPM methodology proposed within this thesis was found to obtain good accuracy for the film thickness distribution measurements for a variety of operating conditions.