Cette thèse, financée par Safran Aircraft Engines, porte sur l'optimisation et l'étude des trous de refroidissement qui se trouve sur la première rangée de pales de turbines stationnaires par l'application de l'approche Simulations aux Grandes Échelles (SGS). Le problème industriel complexe est simplifié en un problème académique et l'étude et l'optimisation sont effectuées pour un seul trou façonné sur une plaque plate. Le manuscrit est donc divisé en deux sections. Les deux premiers chapitres du manuscrit se concentrent sur l'étude de l'écoulement du fluide à partir d'un trou de refroidissement façonné par rapport à un trou cylindrique. L'écoulement à l'intérieur de la perforation et celui sur la plaque plane sont tous deux discutés. Des techniques spectrales telles que la décomposition en modes dynamiques (DMD) sont utilisées pour identifier les modes d'écoulement les plus importants à l'intérieur du trou de refroidissement et des approches statistiques telles que les fonctions de densité de probabilité (PDF) sont construites pour illustrer le comportement thermique près de la paroi de l'écoulement instationnaire au-dessus de la plaque plate.
La deuxième partie de la thèse est ensuite dédiée à la recherche de la forme optimale du trou de refroidissement en utilisant un processus d'optimisation en combinaison avec SGS. Une technique d'optimisation bayésienne intitulée Efficient Global Optimization (EGO) basée sur l'approximation par Krigage et la fonction Expected Improvement (EI) est utilisée pour trouver le meilleur ajustement des divers paramètres qui définissent la géométrie du trou pour une performance de refroidissement maximale. La configuration numérique et la procédure d'optimisation nécessaires pour résoudre un tel problème sont également présentées. Le trou de forme optimale finalement obtenu présente une performance de refroidissement bien supérieure à celle du trou de référence. L'influence des paramètres de dimensionnement du trou façonné est également démontrée par une analyse de surface de réponse et une étude de sensibilité des paramètres basée sur les indices de Sobol. Ceci est accompagné par une comparaison de l'écoulement entre la forme optimale et d'autres formes afin d'illustrer l'influence de la forme du trou sur le refroidissement du film.
Dans l'ensemble, il est démontré que la SGS permet de capturer avec succès les phénomènes d'écoulement instationnaire caractéristiques des jets en écoulement transversal tels que le refroidissement par film et est un choix préféré pour les études d'optimisation des formes de trous.
Mot-clés: Simulations aux Grandes Échelle, trous de refroidissement façonné, film de refroidissement, optimisation |
This thesis, funded by Safran Aircraft Engines, focuses on the optimization and study of the film cooling holes deployed on the first row of stationary turbine blades via the Large Eddy Simulation (LES) formalism. The complex industrial problem is simplified into an academic one and the study and optimization is carried out for a single shaped hole on a flat plate. The manuscript is hence divided into two sections, the first of which focuses on the study of the fluid flow from a shaped cooling hole in comparison to a simpler cylindrical one. Both the flow within the perforation and that over the flat plate is discussed. Spectral techniques such as Dynamic Mode Decomposition (DMD) are used to identify the most important flow modes inside the cooling hole and statistical approaches such as Probability Density Functions (PDFs) are constructed to illustrate the near-wall thermal behavior of the unsteady coolant flow over the flat plate.
The second section of the thesis is then dedicated to finding the optimal shaped cooling hole via a computer-aided optimization process in combination with LES. A Bayesian optimization technique called the Efficient Global Optimization (EGO) based on Kriging surrogate approximation and Expected Improvement (EI) function is used to find the the best fit of various parameters defining a hole geometry for maximum cooling performance. The LES numerical setup and the optimization setup needed to address such a design problem is also demonstrated. The optimal shaped hole finally obtained is shown to have a far higher cooling performance over a reference shape selected for comparison. The influence of shaped hole design parameters is eventually demonstrated via a response surface analysis and a parameter sensitivity study based on Sobol indices. This is complimented by a flow comparison between the optimal and other shapes to illustrate the influence of shaped hole design on film cooling.
Overall, it is shown that the LES successfully captures the unsteady flow phenomena characteristic to jets in cross flow such as film cooling and when used as the preferred choice for parametric design optimization studies gives reliable results.
Keywords: Large Eddy Simulation, shaped cooling holes, film cooling, optimization
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