Caractérisation expérimentale et numérique des transferts thermiques par impact de jets à faible nombre de Reynolds : application au refroidissement du carter de turbine basse pression d’un turboréacteur

Experimental and Numerical Characterization of Jet Impingement Cooling at a Low Reynolds Number : Application to the Low-Pressure Turbine Casing Cooling System of a Turbojet Engine

• Auteur / Autrice : Yassine Ahmimache
• Direction : Matthieu Fénot, Frédéric Plourde, Laurent Descamps
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 05/07/2022
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Safran Aircraft Engines
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Lemenand, Eva Dorignac
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Bougeard, Laurent Gicquel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vélocimétrie par images de particules

Refroidissement

Turbines

Transfert de chaleur

Thermographie

Simulation des grandes échelles

Reynolds, Nombre de

Nombre de Nusselt

Méthodes des frontières immergées

Jets

Écoulement cisaillé

Mots clés libres

Jet impactant

Régime transitionnel

Impinging jet

Transitional flow

Résumé

Cette thèse est consacrée à l’étude du refroidissement par impact d’une rangée de jets issus d’un tube multi-perforé. Cette configuration particulière trouve son application dans le refroidissement du carter de turbine basse pression d’un turboréacteur et se caractérise par un régime d’écoulement transitionnel ou faiblement turbulent (1500 < Rej < 5000), ainsi qu’un écoulement cisaillant entre le cœur du tube multi-perforé et les perforations. Un banc d’essais, échelle 5, a été mis en place afin de reproduire l’impact des jets rencontré dans l’environnement moteur. La structure aérodynamique des jets est déterminée à partir des champs de vitesses instantanées obtenus par Vélocimétrie par Images de Particules (PIV), les transferts thermiques sont estimés à partir de la distribution du nombre de Nusselt obtenue par technique de thermographie infrarouge. La caractérisation des jets et l’efficacité du refroidissement ont été analysées à travers une étude d’influence des paramètres de similitude géométriques (distance d’impact, pas inter-trous)et aérodynamiques (nombre de Reynolds à l’injection, cisaillement de l’écoulement dans le tube). La similitude d’échelle, basée sur le diamètre des perforations, est par ailleurs validée à partir d’un banc d’essais spécifiquement échelle 1. L’étude numérique se base sur une approche aux grandes échelles(LES) par méthode des frontières immergées. La validation du code numérique est effectuée sur une configuration testée expérimentalement. Elle a mis en évidence la capacité du modèle LES à reproduire d’une part, la structure aérodynamique des jets dans les différentes zones caractéristiques, et d’autre part, à estimer correctement la distribution du nombre de Nusselt. La modélisation d’une rangée de jets augmente considérablement les coûts de calcul du fait de la dimension importante du domaine.Une méthodologie de modélisation de tels jets a été présentée à travers une étude sur la définition des conditions limites et sur le maillage.

This PhD thesis focuses on the impingement cooling of a row of jets emerging from a perforated pipe.The low-pressure turbine casing cooling system of a turbojet engine involves this specific cooling configuration.Jet flow velocity and heat transfer are studied both experimentally and numerically. Jets are characterized by a transitional or weakly turbulent flow (1500 < Rej < 5000), and an upstream crossflow in the perforated pipe. A 5 scale test bench was developed to reproduce jet impingement in the operating conditions of an aircraft engine. Particle Image Velocimetry (PIV) and Infrared Thermography were performed to determine flow velocity fields and local Nusselt number distribution along the impinged plate. Jet characterization and cooling efficiency have been investigated through a parametric study of geometrical similarity parameters (injection-to-plate distance, center-to-center jet spacing) and aerodynamic similarity parameters (jet Reynolds number, upstream crossflow). The scale similarity, based on the hole diameter, has been validated with a 1 scale test bench. The numerical study is based on a large eddy simulation approach (LES) using an immersed boundary method. The numerical model validation is performed on a configuration tested experimentally. Numerical and experimental results show a very good agreement with both jet flow structure and Nusselt number distribution. Row of jets modeling leads to a vast simulation domain and a drastic increase of the computational cost. A methodology for this specific configuration modelling has been presented through the analysis of boundary conditions and mesh definition.