Afin d’anticiper de potentiels problèmes thermiques liés à l’éjection de gaz d’échappements à haute température par les moteurs hélicoptères, les industriels ont de plus en plus recours à la simulation numérique. La simulation de la trajectoire et du mélange des gaz d’échappement est cependant complexe et peu intuitive. Elle implique notamment de reproduire correctement les mécanismes physiques tridimensionnels et instationnaires résultant de l’interaction entre le jet chaud issu des moteurs et l’écoulement externe composé du vent relatif, du souffle rotor et d’un potentiel effet de sol. Le jet et l’écoulement externe n’étant généralement pas orientés selon les mêmes directions, l’écoulement résultant peut être assimilé à un écoulement de type jet débouchant. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse était de proposer des méthodologies de simulation permettant de restituer le mélange et la dynamique de l’écoulement pour des jets débouchants représentatifs d’une application hélicoptère (fort niveaux de température et jet décollé de la paroi). Dans un premier temps, une campagne d’essais a été réalisée dans la soufflerie F2 de l’ONERA. L’objectif était de constituer une base de données expérimentale détaillée pour des jets débouchants représentatifs d’une application hélicoptère. Cette base de données expérimentale a alors été utilisée afin d’évaluer la capacité de plusieurs modélisations RANS à restituer les aspects dynamique et thermique de ce type l’écoulement. L’utilisation de modélisations RANS plus avancées pour le flux de chaleur turbulent a également été étudié. D’autre part, des simulations aux échelles résolues SAS-SST et LES ont été conduites et comparées aux données expérimentales. L’analyse du flux de chaleur turbulent résolu a notamment permis d’évaluer la validité des modèles GDH et GGDH pour ce type d’écoulement. Finalement, une simulation SAS-SST a été réalisée sur une configuration industrielle basée sur une maquette d’hélicoptère. |
In order to anticipate potential thermal issues associated with the ejection of high temperature exhaust gases by helicopter engines, rotorcraft manufacturers rely on the increasing use of numerical simulations. However, the simulation of exhaust gases trajectory and mixing is complex and far from intuitive. In particular, it requires to correctly reproduce three-dimensional and unsteady physical mechanisms resulting from the interaction between the hot jet ejected by the engine and the external flow composed of the relative wind, the rotor downwash and a potential ground effect. Since the jet and the external flow are generally not oriented along the same directions, the resulting flow can be assimilated to a jet in crossflow configuration. In this context, the objective of this thesis was to propose simulation methodologies allowing to correctly reproduce dynamics and turbulent mixing of jets in crossflow representatives of an helicopter application (high temperature levels and jet lifted from the wall). First, a test campaign was carried out in ONERA's F2 wind tunnel. The objective was to build a detailed experimental database for jets in crossflow representatives of an helicopter application. This experimental database was then used to evaluate the capability of several RANS turbulence models to reproduce the dynamics and thermal aspects of this kind of flow. The use of more advanced RANS models for the turbulent heat flux was also investigated. On the other hand, scale-resolving simulations SAS-SST and LES were performed and compared to the experimental data. In particular, the analysis of the resolved turbulent heat flux allowed to assess the validity of the GDH and GGDH models for this kind of flow. Finally, a SAS-SST simulation was carried out on an industrial configuration based on a helicopter mock-up. |