Simulation d'écoulements pariétaux génériques à bas nombre de Mach pour l'amélioration du

272 Pages·2017·16.48 MB·French

by  Simon Delmas

Simulation d’écoulements pariétaux génériques à bas
nombre de Mach pour l’amélioration du refroidissement
des chambres de combustion aéronautiques
Simon Delmas
To cite this version:
Simon Delmas. Simulation d’écoulements pariétaux génériques à bas nombre de Mach pour
l’amélioration du refroidissement des chambres de combustion aéronautiques. Mécanique des fluides
[physics.class-ph]. Université de Pau et des pays de l’Adour, 2015. Français. ￿NNT: ￿. ￿tel-01256238￿
HAL Id: tel-01256238
https://hal.science/tel-01256238
Submitted on 14 Jan 2016
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THÈSE
PRÉSENTÉE À
L’UNIVERSITÉ DE PAU ET DES
PAYS DE L’ADOUR
ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES EXACTES ET LEURS APPLICATIONS
Par Simon Delmas
POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR
SPÉCIALITÉ : Mécanique des Fluides
Simulation numérique directe d'un jet en écoulement transverse à
bas nombre de Mach en vue de l'amélioration du refroidissement
par effusion des chambres de combustion aéronautiques
Directeur de thèse : Pascal Bruel
Co - directeur de thèse : Vincent Perrier
Soutenance prévue le 16 Décembre 2015
Devant la commission d’examen formée de :
M. BONNETON, Philippe Université de Bordeaux I - CNRS Examinateur
(Directeur de Recherche)
M. BRUEL, Pascal Université de PAU et des Pays de de l’Adour Examinateur
CNRS (Chargé de Recherche)
M. BUFFAT, Marc Université Claude Bernard Lyon I Examinateur
(Professeur)
M. NICOUD, Franck Université de Montpellier Rapporteur
(Professeur)
M. PERRIER, Vincent INRIA Bordeaux Sud-Ouest Examinateur
(Chargé de Recherche)
M. SABELNIKOV, Vladimir ONERA, Palaiseau Rapporteur
(Directeur de Recherche)
Mme. VIGNAL, Marie-Hélène Université Paul Sabatier Examinateur
(Maître de conférences)

À mes parents et à Lili.
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Résumé
Dans cette thèse on s’intéresse aux jets en écoulement transverse dans une configuration
générique de celle du refroidissement par effusion de chambres de combustion aéronautiques.
L’amélioration des modèles de paroi avec transfert de masse passe par une meilleure
connaissance de l’interaction entre les jets et l’écoulement principal. Nous avons donc
réalisé la simulation numérique directe d’un jet issu d’un perçage incliné avec ou sans
giration, pour des écoulements isothermes, turbulents et à bas nombre de Mach, dans
un contexte compressible. Pour cela nous avons travaillé avec la bibliothèque AeroSol
d’éléments finis continus et discontinus sur maillage hybride. En particulier nous nous
sommes intéressés à la stabilité des flux numériques pour le compressible instationnaire
associés à la méthode de Galerkin discontinue lorsque le nombre de Mach tend vers zéro.
Nous avons pu mettre en évidence des comportements instables lors de l’utilisation de
discrétisation temporelle explicite que nous avons corrigés en proposant un nouveau flux.
Dans un deuxième temps, nous avons effectué les développements nécessaires à la réalisation
des calculs. Nous nous sommes en particulier intéressés à la génération d’un champ de
vitesse turbulent synthétique par la méthode SEM (Synthetic Eddy Method) que nous
avons implantée dans AeroSol et validée. Grâce aux outils de post-traitement développés,
nous avons conduit l’analyse de nos résultats. Dans le cas sans giration, les comparaisons
avec les résultats expérimentaux et les résultats de simulations RANS que nous avons
obtenus en parallèle sur la configuration du banc d’essai Maveric sont encourageants. La
structure moyenne d’ensemble du jet est notamment correctement reproduite. En ce qui
concerne la cas avec giration, le comportement attendu de déflexion successive du jet dans
les deux plans caractéristiques (plan d’injection et plan de l’écoulement transverse) est bien
reproduit et illustre tout le potentiel prévisionnel de la librairie de calcul que nous avons
contribué à développer.
Mots clefs : Mécanique des fluides et aéronautique, Calcul scientifique, Simulation nu-
mérique directe (DNS), Jet en écoulement transverse, Écoulement à bas nombre de Mach,
Méthode de Galerkin discontinue.

Abstract
This work is made in the context of the wall cooling of combustion chambers with the
effusion cooling method. More precisely, jets in cross flow are considered. Improvement
of wall models with mass transfer require indeed a better knowledge of the interaction
of the jet and the main flow. Therefore the direct numerical simulation of a jet issuing
from an inclined hole with or without gyration, for isothermal turbulent flow at low Mach
number, in a compressible context is carried out. To achieve this, the high order finite
elements library AeroSol is used on hybrid grid with the discontinuous Galerkin method.
First, the stability of numerical flux for the unsteady compressible flow associated with
the discontinuous Galerkin method in the zero Mach number limit is studied. A study of
the classical Riemann solvers pointed out a general unstability in the unsteady low Mach
context with explicit time discretization. This was fixed by developing a new flux. Then
numerical tools were developed for achieving the computations. A particular focus was
made on the development of a synthetic turbulent velocity field by using the Synthetic
Eddy Method. This method was implemented in Aerosol, and validated. Postprocessing
tools have also been developed. For the computations, two cases have been considered: one
without gyration, and another one with gyration. For the case without gyration, results
have been compared with both experimental data (obtained with the Maveric test bench)
and RANS simulations. Results obtained are very encouraging, especially, the mean flow
obtained with the three methods (RANS, Experiments, and DNS) are matching well. In
the case with gyration, the expected behavior of successive deflection of the jet in both
planes (injection plane and transverse plane of the flow) is reproduced and proves all the
potential of the AeroSol library.
Keywodrs : Fluid mechanics and aeronautics, Scientific computing, Direct numerical
simulation (DNS), Jet in crossflow, Low Mach number flow, Discontinuous Galerkin method.

Remerciements
Je voudrais tout d’abord remercier Pascal Bruel et Vincent Perrier, mes directeurs de thèse,
pour la confiance qu’ils m’ont accordé au cours de ces trois années. Je vous remercie pour
votre disponibilité, pour votre rigueur, pour la pertinence de vos interventions, pour m’avoir
appris énormément dans vos spécialités respectives et dans beaucoup d’autres domaines,
profiter de l’étendue de vos connaissances a été une chance.
Je souhaite également remercier Franck Nicoud et Vladimir Sabelnikov d’avoir accepter
d’être rapporteur de ce travail, ainsi que les membres du jury Marc Buffat, Marie-Hélène
Vignal et particulièrement Philippe Bonneton qui m’a accordé sa confiance pour l’après
thèse.
Je remercie le conseil général des Pyrénées Atlantiques ainsi que le programme européen
IMPACT-AE d’avoir financé ce travail.
C’est avec un grand plaisir que je remercie tout les membres de l’équipes Cagire qui ont fait
de mon séjour une période agréable, Yann Moguen pour sa sympathie et tous les éclairages
qu’il m’a apporté sur la problématique du bas Mach, Rémi Manceau qui a bien voulu
répondre à mes question sur les écoulements turbulents et me laisser gagner durant nos
partie d’échec, Maxime Mogé, Hamza Belkhayat, Benjamin Lux et Jonathan Jung pour
tous les bons moments passés ensemble au travail et en dehors.
Je remercie aussi tous les membres de l’équipe Inria Magique3D pour leur accueil et tous
les services rendus, et plus particulièrement Lionel Boillot pour toutes nos discussions, ainsi
que toutes les personnes du LMAP que j’ai côtoyé.
Enfin mes pensées vont à mes proches, tout d’abord mes parents qui m’ont poussé à faire
des études et qui ont rendu cela possible grâce à leur soutien, à mes "poulets" de la troupe
de Bordeaux et de l’équipe des week-ends de Mai qui ont toujours répondu présent pour
décompresser en fin de semaine, et pour finir à ma Lili.
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