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 Simon Mendez Encadrement : Franck Nicoud, Université Montpellier II Financée par l’union europ à 100% Cadre général de réduction des polluants pour les moteurs aéronautiques Nous refr Université Montpellier II - CERFACS - 26 Novembre 2007

Turbines à gaz aéronautiques Parois multi- perforées Entrée d’air 1100 K Chambre de combustion 2000 K Vrille Dire idem avions Contournement Image G. Boudier

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

Chambre de combustion multi-perforée Multiperforation presentation et probleme Exemple de chambre de combustion Turbomeca

Simulations numériques Problème de représentation de la multi-perforation Cadre de la thèse : modélisation de la multi-perforation pour les simulations numériques Avec simu on est capable de prevoir eclt chambre de combu mais raffineùment actuels font que la résolution de l’ecoulement des parois perfs est inaccessible Incap résoudre perfs Calcul G. Boudier : Température Mailles paroi > 1mm Multi-perforations 0.5 mm

Modèle pour la multi-perforation Démarche générale Objectif Modèle pour la multi-perforation Constat Manque de données CONTEXTE DEMARCHE DE LA THESE Simulations Analyse Modélisation Validation

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

Plan Introduction 1. Cas isotherme : des calculs au modèle 2. Modélisation du cas isotherme. Discussion 3. Cas anisotherme Conclusion, Perspectives L’occasion pour moi

Configuration académique Plaque perforée infinie Périodicité de la géométrie Périodicité/Injection (Mendez, Nicoud & Miron 2005. DLES 6, Poitiers) Multiperf en config reelle, c’est complique : geom, flammes etc Choix config academique isoler multiperf cas uniquement MP. ET pour choisir les carac du domaine : LARA x y z

Expérience LARA / MAVERIC Turbomeca : exp. isotherme, échelle 10 (perforations 5 mm) Données : Miron 2005 l=400 mm Point de fonctionnement U1=4.5 m/s ; U2=2.26 m/s Re1=17700 ; Re2=8600 P=42 Pa Vjet=8 m/s soit Rejet=2600 h = 120 mm L = 800 mm d=5 mm Grille e=10 mm U1 U2 y d=5 mm X=5.84d Z=3.37d =30° x z X

Simulations : tests numériques Méthode de calcul périodique (Mendez, Nicoud & Miron 2005. 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) Quel est le veritable effet du periodique ?

Comparaison avec expérience LARA U V SGE Expérience rangée 9 y y Urms Vrms y y Diff perio/spatial 0 < y < 12 d

Présentation de l'écoulement U vitesse longitunale Vorticité transverse z Mettre les faits marquants stationnaires/instationnaires Iso-module de vitesse (couleur V)

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

Plan Introduction 1. Cas isotherme : des calculs au modèle 2. Modélisation du cas isotherme. Discussion 3. Cas anisotherme Conclusion, Perspectives L’occasion pour moi

Quel modèle pour la multi-perforation ? Homogène Local

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

Estimation des flux pariétaux Flux : quantité de mouvement (isotherme) U V W P 100 % UV 114 % Injection V2 0 % (Symétrie du problème) 12 -14 % 22 0 % P 100 % UV 87 % Aspiration V2 0 % (Symétrie du problème) 12 13 % 22 0 %

Modélisation des flux « pariétaux » Pression Flux de V : dominé par la pression P constant dans la couche limite P1 P2

Modélisation des flux « pariétaux » Flux de U : terme <UV> à modéliser H1 : <UV> = <> <U> <V> erreur ~10% H2 : injection <U> = <V> / tan() (jet aligné avec le trou) aspiration <U> = U2 OK constant ? OK (débit) Vitesse longitudinale U U2

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

Modèle couplé Modèle CD Vjets P1 P2  N1 Ninj Nasp N2 Vinj, Vasp Angle  Porosité  Vinj, Vasp (U)inj, (U)asp (V)inj, (V)asp Modèle Débit surfacique CD Vjets N1 P1 Ninj P2 Nasp  N2

Modèle couplé : évaluation a posteriori Données LARA (Miron 2005) U U1= 4.5 m/s P1 U2= 2.26 m/s P1+42 Pa Modèle couplé

Evaluation a posteriori U(y) LARA 9e rangée y/d Homogénéisation des vitesses Vparoi =  Vjets Modèle couplé Données SGE Modèle couplé Homogénéisation vitesses Injection 0.72 0.67 0.03 Aspiration 0.28 0.29 Flux total UV

Evaluation a posteriori : U Modèle couplé Homog. vitesses

Discussion Modèle utilisé (calcul G. Boudier : injection uniquement) Certaines idées du modèle reprises dans ce calcul

Evaluation des hypothèses V P constante dans la couche limite OK U Total Modèle Injection 0.72 0.67 Aspiration 0.28 0.29

Evaluation des hypothèses V P constante dans la couche limite OK U Frottement négligé 14% <UV> = <> <U> <V> 10% injection <U>=<V>/tan() 10% : angle 28° au lieu de 30° aspiration <U>=U2 10% Total 12 UV Modèle Injection 0.72 -0.1 0.82 0.67 Aspiration 0.28 0.03 0.25 0.29 U V Injection Sur cette planche dire qu’une amélioration du modèle passe par l’amélioration de toutes les hypothèses Aspiration

Plan Introduction 1. Cas isotherme : des calculs au modèle 2. Modélisation du cas isotherme. Discussion 3. Cas anisotherme Conclusion, Perspectives L’occasion pour moi

Extension de la méthode à l’anisotherme PERIODICITE ~ Anisotherme ? PERIODICITE ~ Isotherme Position du pb Impossible à maintenir sans forçage

Extension de la méthode à l’anisotherme Paroi : Tparoi fixée uniforme Terme puits de masse constant : chauffage du fluide 2 paramètres : 1. Intensité : paroi à l’équilibre thermique 2. Hauteur : arrêté quand T=Tchaud Tchaud Tparoi De maniere consistante à n,otre hypothese T constant, on assure Flux de chaleur =0 Tfroid

Exemple anisotherme échelle 1 Température 873 K 455 K Dyn idem on la montre pas CL thq en bas Ttrou. Bilans thq 30% ref de la plaque a lieu dans le trou 330 K

Exemple anisotherme échelle 1 Tparoi T=378K 100% Flux de chaleur Bilan paroi -30% T=370K -70% Dyn idem on la montre pas CL thq en bas Ttrou. Bilans thq 30% ref de la plaque a lieu dans le trou Tfroid T=330K Flux de chaleur : côté chaud - perforation - côté froid =0

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

Estimation des flux pariétaux Flux : quantité de mouvement et énergie U V E P 100 % UV 119 % (E+P)V 107 % Injection V2 0 % 12 -19 % q2 -7 % 22 0 % P 100 % Aspiration (E+P)V 106 % UV 89 % V2 0 % q2 -6 % 12 11 % 22 0 %

Extension anisotherme du modèle Angle  Porosité  Vinj, Vasp (U), (V), (W) (E) Modèle Débit surfacique CD Vjets N1 P1 Ninj P2 Nasp  Tasp N2

Plan Introduction 1. Cas isotherme : des calculs au modèle 2. Modélisation du cas isotherme. Discussion 3. Cas anisotherme Conclusion, Perspectives L’occasion pour moi

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 Programme DGA Egisthe