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Simulation numérique et modélisation de l'écoulement autour des parois multi-perforées

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.

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Simulation numérique et modélisation de l'écoulement autour des parois multi-perforées

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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-2003-502961 Simon Mendez Encadrement : Franck Nicoud, Université Montpellier II Université Montpellier II - CERFACS - 26 Novembre 2007

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

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

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

  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-perforations 0.5 mm

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

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

  9. Configuration académique y x z • Plaque perforée infinie • Périodicité de la géométrie • Périodicité/Injection (Mendez, Nicoud & Miron 2005. DLES 6, Poitiers)

  10. 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

  11. 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)

  12. Comparaison avec expérience LARA SGE Expérience rangée 9 U V y y Urms Vrms y y 0 < y < 12 d

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

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

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

  16. Quel modèle pour la multi-perforation ? Homogène Local

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

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

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

  20. 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

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

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

  23. 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

  24. Evaluation a posteriori U(y) LARA 9e rangée y/d Homogénéisation des vitesses Vparoi =  Vjets Modèle couplé Flux totalUV

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

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

  27. Evaluation des hypothèses V P constante dans la couche limite OK U

  28. 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% U V Injection Aspiration

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

  30. Extension de la méthode à l’anisotherme ~ ~ ~ ~ PERIODICITE PERIODICITE PERIODICITE PERIODICITE ~ ~ ~ ~ Isotherme Anisotherme ? Impossible à maintenir sans forçage

  31. 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 Flux de chaleur =0 Tfroid

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

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

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

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

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

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

  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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