Études des propriétés aérothermiques d'une couche de mélange issue d'un refroidissement par multiperforation giratoire

Study of the aerothermal properties of a mixing layer resulting from gyratory multi-perforation cooling

• Auteur / Autrice : Clément Dormoy
• Direction : Florent Duchaine, Laurent Gicquel
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Inscription en doctorat le 05/05/2025
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CERFACS
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Mécanique des fluides numérique
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)

Mots clés

Mots clés libres

Cfd

Couche de mélange

Refroidissement

Cfd

Mixing layer

Cooling

Résumé

Les chambres de combustion des turboréacteurs sont soumises à des températures élevées (1800 K à 2500 K) en raison de la présence de la flamme, ce qui engendre des gradients thermiques et des contraintes dans leurs parois. Ces contraintes, associées aux hautes températures, provoquent des dommages réduisant la durée de vie des chambres. Pour prolonger cette durée de vie, il est essentiel de refroidir les parois afin de contrôler les températures et leurs gradients. Ce refroidissement est réalisé avec de l'air provenant du compresseur, également utilisé pour la combustion, créant une contrainte sur son usage optimal. Le refroidissement des parois doit donc être conçu pour maximiser l'efficacité de l'air de refroidissement tout en minimisant sa consommation. Une méthode efficace consiste à utiliser des multiperforations qui créent un film protecteur d'air frais entre la paroi et la flamme. Optimiser ce système nécessite de prédire précisément le comportement aérothermique de ce film, notamment son échange thermique avec la paroi et son mélange progressif avec le flux principal. La compréhension des propriétés aérothermiques (température, vitesse, densité) de la couche de mélange le long des parois en fonction des paramètres géométriques des perforations et des conditions thermiques est cruciale. Pour cela, des outils de modélisation haute-fidélité et des simulations bas-ordre, plus flexibles, sont nécessaires pour explorer efficacement les conceptions. Cette thèse s'inscrit dans le développement de nouvelles générations de chambres de combustion, où les contraintes thermiques sont plus exigeantes et nécessitent une réduction des débits de refroidissement. Cela impose une modélisation plus précise et l'introduction de géométries avancées, comme des perforations giratoires et des trous à bords évasés (shaped holes). Ces évolutions influencent fortement le comportement aérothermique dans la couche de mélange et doivent être maîtrisées pour optimiser les performances des chambres de combustion.

The combustion chambers of turbofan engines are exposed to high temperatures (1800 K to 2500 K) due to the presence of the flame, resulting in significant thermal gradients and stresses on their walls. These stresses, combined with high temperatures, cause damage that shortens the lifespan of the chambers. To extend their lifespan, it is crucial to cool the walls to control both temperature levels and gradients. This cooling is achieved using air from the compressor, which is also required for combustion, creating a trade-off in its optimal use. Wall cooling must therefore be designed to maximize the efficiency of cooling air usage while minimizing its consumption. One effective method involves using multi-perforations that create a protective film of fresh air between the wall and the flame. Optimizing this system requires accurately predicting the aerothermal behavior of this film, including its heat exchange with the wall and its progressive mixing with the main flow. Understanding the aerothermal properties (temperature, velocity, density) of the mixing layer along the walls, based on the geometric parameters of the perforations and the thermal conditions, is essential. For this purpose, high-fidelity modeling tools and low-order simulations, which are more flexible and allow for efficient exploration of design options, are needed. This thesis is part of the development of next-generation combustion chambers, where thermal constraints are more demanding and require reduced cooling airflow, resulting in narrower design margins and a greater need for precise modeling. These new chambers will require advanced multi-perforation geometries, including gyratory perforations and shaped holes with flared edges. These geometric innovations significantly influence the aerothermal behavior of the mixing layer and must be well understood to optimize the performance of combustion chambers.