Une configuration complexe a été simulée dans le contexte des écoulements de turbomachine en utilisant le code AVBP, un solveur compressible LES co-développé par le CERFACS et l’IFP-EN. Aujourd’hui, seule l’approche LES est en mesure de fournir une précision satisfaisante dans la prédiction des aspects thermiques des écoulements proche paroi. Les modèles de paroi existants ne permettant pas de capturer la physique complexe associée à ce type d’écoulement, il est nécessaire d’être résolu en proche paroi afin de capturer les petites structures présentes qui vont déterminer la potentielle transition de la couche limite ainsi que la caractérisation globale de l’écoulement.
Afin de mieux comprendre la physique de ce type d’écoulement, des simulations LES de la pale de turbine LS89, étudiée expérimentalement au Von Karman Institute (VKI), ont été réalisées et analysées. Les difficultés rencontrées pour reproduire les résultats expérimentaux dans le cas de nombres de Reynolds et de Mach élevés en sortie ont conduit à des études de sensibilité pour les méthodes d'injection de turbulence en condition limite d’entrée. Les paramètres étudiés sont l’intensité et le spectre de la turbulence ainsi que la longueur intégrale des structures à injecter. Une méthodologie d’injection qui permet d’avoir un spectre turbulent physique a ainsi été développée et implémentée dans le code AVBP. Des différences ont également été observées en comparant différents schémas numériques, ce qui a mené à des études de caractère numérique.
Ces études numériques ont été réalisées à partir de l’analyse des propriétés des schémas numériques utilisés dans AVBP. Plusieurs pistes ont été poursuivies afin d’expliquer l’apparition des oscillations nœud-à-nœud communs pour la plupart des schémas numériques d’ordre élevé et de nouvelles méthodes de fermeture sont proposées afin de les corriger. Des aspects plus fins de la métrique sont aussi étudiés dans un contexte cell-vertex et des corrections sont proposées pour prendre en compte ces oscillations. Ce travail de thèse s'est appuyé sur le projet Européen COPA-GT dédié à la simulation numérique et multi-physique d'un moteur complet.
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A complex configuration is simulated in the context of turbomachinery flows using the AVBP code, a cell-vertex fully compressible LES (Large Eddy Simulation) solver developed by CERFACS and IFP-EN. Only LES is capable today to attain the required level of accuracy for the prediction of thermal aspects of wall-bounded flows on such geometries. This study requires a wall-resolved approach, as current models are not able to properly capture the complex physics associated to wall-bounded flows. This is due to the presence of small turbulent structures in the boundary layer that are of great importance to predict the potential boundary layer transition and thus, influence the overall global behaviour.
In order to better understand the physics of wall-bounded flows, a study LS89 blade configuration, an experimental profile provided by the von Karman Institute (VKI) has been performed. As a result of various studies showing difficulties to correctly compare to experiments in the presence of high Reynolds and high outlet Mach numbers, a sensitivity study for the turbulence injection has been conducted including different intensity levels, various integral length scales and different turbulent spectra. This last point requires a coupling methodology that has been developed and implemented to have a physical turbulence at the inlet. Additionally, differences observed between numerical schemes led to a subsequent study to estimate the interaction of the smaller scales of turbulence with numerics. The final objective is to better understand the physics around the blade profile including boundary layer profiles or heat transfer curves.
The numerical studies have thus been undergone in this work to explain the differences previously seen requiring an analysis of the properties of the schemes used in AVBP. Various paths are pursued where stability issues concerning the apparition of node-to-node oscillations, common to most high-order numerical schemes, and new closure methods have been analysed. Also, finer aspects of the metrics associated to the cell-vertex method are studied and solutions are proposed to account for these oscillations. This work was supported by the European project COPA-GT, dedicated to the numerical multi-physics simulation of a complete gas turbine.
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