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Simulation numérique et modélisation de l'écoulement autour des parois multi-perforées Etude financée par le projet européen INTELLECT-DM EU Project AST3-CT-2003-502961.

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1 Simulation numérique et modélisation de l'écoulement autour des parois multi-perforées Etude financée par le projet européen INTELLECT-DM EU Project AST3-CT Simon Mendez Encadrement : Franck Nicoud, Université Montpellier II Université Montpellier II - CERFACS - 26 Novembre 2007

2 2 Turbines à gaz aéronautiques Image G. Boudier Entrée dair Vrille Chambre de combustion Contournement Parois multi- perforées 2000 K 1100 K

3 3 Refroidissement par multi-perforation taille des perforations ~ 0.5 mm Air de refroidissement Gaz brûlés Film de refroidissement CONTOURNEMENT CHAMBRE DE COMBUSTION

4 4 Chambre de combustion multi-perforée Exemple de chambre de combustion Turbomeca

5 5 Simulations numériques Problème de représentation de la multi-perforation Cadre de la thèse : modélisation de la multi- perforation pour les simulations numériques Calcul G. Boudier : Température Mailles paroi > 1mm Multi-perforations0.5 mm

6 6 Démarche générale Objectif Modèle pour la multi- perforation Constat Manque de données ModélisationAnalyseValidation CONTEXTE DEMARCHE DE LA THESE Simulations

7 7 Code de calcul : AVBP Simulations des Grandes Echelles (SGE) Equations de Navier-Stokes pour un fluide compressible Deux schémas numériques : Lax-Wendroff (2e ordre) et TTGC (3e ordre, Colin & Rudgyard 2000) Deux modèles de sous-maille : Smagorinsky et WALE (Nicoud & Ducros 2000) Conditions limites de type NSCBC (Poinsot & Lele 1992) Viscosité artificielle 2e et 4e ordre

8 8 Plan Introduction 1. Cas isotherme : des calculs au modèle 2. Modélisation du cas isotherme. Discussion 3. Cas anisotherme Conclusion, Perspectives

9 9 Configuration académique Plaque perforée infinie Périodicité de la géométrie Périodicité/Injection ( Mendez, Nicoud & Miron DLES 6, Poitiers ) x y z

10 10 Expérience LARA / MAVERIC Turbomeca : exp. isotherme, échelle 10 (perforations 5 mm) Données : Miron 2005 l=400 mm L = 800 mm e=10 mm U1U1 d=5 mm Grille x y z U2U2 Point de fonctionnement U 1 =4.5 m/s ; U 2 =2.26 m/s Re 1 =17700 ; Re 2 =8600 P=42 Pa V jet =8 m/s soit Re jet =2600 d=5 mm X=5.84d Z=3.37d h = 120 mm X =30°

11 11 Simulations : tests numériques Méthode de calcul périodique ( Mendez, Nicoud & Miron DLES 6, Poitiers ) Schéma numérique Maillage ( Mendez, Nicoud & Poinsot 2006 in Complex effects in LES, Mendez & Nicoud 2008, JFM in press ) Code de calcul ( Mendez et al. 2006, CTR Summer Program ) Nombre de perforations dans le domaine ( Mendez & Nicoud 2008, JFM in press )

12 12 Comparaison avec expérience LARA UV UrmsVrms SGE Expérience rangée 9 0 < y < 12 d yy yy

13 13 Présentation de l'écoulement U vitesse longitunale Vorticité transverse z Iso-module de vitesse (couleur V)

14 14 Présentation de l'écoulement Fric & Roshko 1994 Kelso, Lim & Perry 1996 McManus & Eaton 2000 Gustafsson 2001 Peterson & Plesniak 2004 Iso-surfaces : critère Q moyenné en temps CVP

15 15 Plan Introduction 1. Cas isotherme : des calculs au modèle 2. Modélisation du cas isotherme. Discussion 3. Cas anisotherme Conclusion, Perspectives

16 16 Quel modèle pour la multi-perforation ? HomogèneLocal

17 17 Démarche de modélisation FLUX Simulation SGE :Contributions importantes ? Comment les modéliser ?

18 18 Estimation des flux pariétaux Flux : quantité de mouvement (isotherme) Injection U Aspiration V W 0 0 UV 114 % % V 2 0 % 22 0 % P 100 % UV 87 % % V 2 0 % 22 0 % P 100 % (Symétrie du problème)

19 19 Modélisation des flux « pariétaux » Flux de V : dominé par la pression P constant dans la couche limite P1P1 P2P2 Pression

20 20 Modélisation des flux « pariétaux » Flux de U : terme à modéliser H1 : = erreur ~10% H2 : injection = / tan( ) (jet aligné avec le trou) aspiration = U 2 OK constant OK (débit) ? Vitesse longitudinale U U2U2

21 21 Homogénéisation porosité 1- Flux à la paroi solide Flux à travers la perforation Flux homogénéisé Surface perforée Surface totale =

22 22 Modèle couplé CDCD N2N2 N asp N inj N1N1 V jets Débit surfacique Angle Porosité P1P1 P2P2 Modèle V inj, V asp ( U) inj, ( U) asp ( V) inj, ( V) asp

23 23 Modèle couplé : évaluation a posteriori U 1 = 4.5 m/s U 2 = 2.26 m/s P1P1 P Pa Modèle couplé Données LARA (Miron 2005) U

24 24 Evaluation a posteriori LARA 9 e rangée y/d U(y) Modèle couplé Homogénéisation des vitesses Données SGE Modèle couplé Homogénéisation vitesses Injection Aspiration Flux total UV V paroi = V jets

25 25 Evaluation a posteriori : U Modèle couplé Homog. vitesses

26 26 Discussion Modèle utilisé (calcul G. Boudier : injection uniquement)

27 27 Evaluation des hypothèses V P constante dans la couche limite OK U Total Modèle Injection Aspiration

28 28 Evaluation des hypothèses V P constante dans la couche limite OK U Frottement négligé 14% = 10% injection = /tan( ) 10% : angle 28° au lieu de 30° aspiration =U 2 10% Total 12 UV Modèle Injection Aspiration Injection Aspiration UV

29 29 Plan Introduction 1. Cas isotherme : des calculs au modèle 2. Modélisation du cas isotherme. Discussion 3. Cas anisotherme Conclusion, Perspectives

30 30 Extension de la méthode à lanisotherme PERIODICITE ~~ ~~ Isotherme PERIODICITE ~~ ~~ Anisotherme ? Impossible à maintenir sans forçage

31 31 Extension de la méthode à lanisotherme T froid T chaud T paroi Paroi : T paroi fixée uniforme Terme puits de masse constant : chauffage du fluide 2 paramètres : 1. Intensité : paroi à léquilibre thermique 2. Hauteur : arrêté quand T=T chaud Flux de chaleur =0

32 32 Exemple anisotherme échelle 1 Température 873 K 330 K 455 K

33 33 Exemple anisotherme échelle 1 T froid T paroi T=370K T=378K T=330K 100% -30% -70% Flux de chaleur Bilan paroi Flux de chaleur : côté chaud - perforation - côté froid =0

34 34 Exemple anisotherme échelle 1 Face froide Face chaude Flux de chaleur pariétal

35 35 Estimation des flux pariétaux Flux : quantité de mouvement et énergie Injection U Aspiration V E UV 119 % % V 2 0 % 22 0 % P 100 % UV 89 % % V 2 0 % 22 0 % P 100 % ( E+P)V 107 % q 2 -7 % ( E+P)V 106 % q 2 -6 %

36 36 Extension anisotherme du modèle CDCD N2N2 N asp N inj N1N1 V jets Débit surfacique Angle Porosité Modèle V inj, V asp ( U), ( V), ( W) ( E) T asp P1P1 P2P2

37 37 Plan Introduction 1. Cas isotherme : des calculs au modèle 2. Modélisation du cas isotherme. Discussion 3. Cas anisotherme Conclusion, Perspectives

38 38 Conclusions, Perspectives Isotherme : démarche menée à bien Modèle utilisé (+ couplé) Données SGE : pistes amélioration Anisotherme : simulations + analyse (+ modèle) Simulations de référence : à consolider Adaptations du modèle isotherme


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