SIMULATION D UN JET TURBULENT POUR LE REFROIDISSEMENT DES AUBES DE TURBINE

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1 10 ème Sémnare Internatonal sur la Physque Energétque 10 th Internatonal Meetng on Energetcal Physcs SIMULAION D UN JE URBULEN POUR LE REFROIDISSEMEN DES AUBES DE URBINE Bounegta Bachr 1, Abdelarm Maamar 1 et Dzene Rabah 2 1 Faculté des Scences et échnologe- Unversté de Bechar (Algére)- emal 1 : bounegtur@yahoo.fr 2 USHB Alger (Algére) Résumé Le refrodssement par flm est pratquement la méthode la plus effcace employée dans le domane du refrodssement des aubes de turbnes à gaz. Dans cette technque, de l ar relatvement frod est ramené à travers des rangées de trous judceusement aménagés dans le corps des aubes à refrodr pour être njecté dans l espace nter-aube. Le but de cette technque étant de créer une couche d ar protectrce entre les gaz chauds émanant de la chambre de combuston et la surface de l aube à refrodr. L effcacté d un tel procédé est nfluencée par pluseurs paramètres dont le taux d njecton, la forme des orfces d njecton et l nclnason des trous à travers lesquels l ar est njecté. [1] Un autre paramètre géométrque très mportant résde dans la zone à refrodr. Plus spécalement le bord d attaque de l aube avec sa forme arrond présente la zone la plus fragle du processus. Cec est dû prncpalement au pont de stagnaton exposé aux très haute température des gaz chauds, la drecton du jet qu est pratquement en sens opposée par rapport à l écoulement prncpal et enfn à l épasseur de la couche lmte très mnce dans cette régon. Le but de cette étude est d utlser un modèle de turbulence (modèle -ε standard) pour étuder le phénomène du refrodssement. Mots Clés : Ecoulement transversal- Modélsaton- Jets turbulents- flude vsqueux ncompressble- Interacton thermque. I. INRODUCION La turbne à gaz nécesste une étude approfonde de son comportement thermque, du fat qu'elle est partculèrement exposée aux gaz chauds en provenance de la chambre de combuston. L'analyse du transfert de chaleur par convecton d'une aube de turbne à gaz peut être scndée en tros grandes partes: - Le transfert nterne pour une aube statonnare, le transfert nterne pour une aube en rotaton et le transfert de chaleur externe. - Le transfert de chaleur externe concerne les échanges thermques entre les gaz chauds émanant de la chambre de combuston et la surface externe de l'aube, avec ou sans refrodssement. C est échange se fat prncpalement par convecton forcée. Il est très complexe car l dépend de pluseurs facteurs dont la nature de la couche lmte (lamnare ou turbulente) qu se développe sur le profl de l'aube, le pont de stagnaton, le gradent de presson mposé, la séparaton et le ré-attachement de la couche lmte, l'ntensté et la structure de la turbulence de l'écoulement en amont, la compressblté, l'nteracton des ondes de chocs avec la couche lmte pour les écoulements supersonques ans que les effets nduts par la nature tr dmensonnelle de l'écoulement. Les paramètres de l'aube tels que la courbure, l'aspect géométrque (hauteur/corde), l'ncdence par rapport à l'écoulement en amont, la rotaton, la rugosté de la surface et le rayon de courbure du bord d'attaque jouent également un rôle non néglgeable sur le transfert thermque [1],[2]. On peut en dégager les constatatons suvantes: En rason de la fable épasseur de la couche lmte sur le bord d'attaque, un fort taux de transfert de chaleur s'y développe. L'échange thermque autour de cette parte de l'aube peut être étudé théorquement en adoptant dfférentes Journal of Scentfc Research N 0 vol. 1 (2010) 62

2 corrélatons étables pour le cas d'un écoulement en stagnaton sur un cylndre solde exposé à un écoulement transversal Sur l'extrados de l'aube, on remarque le développement d'une zone de transton lamnare/turbulente condusant à la formaton d'une couche lmte turbulent. II- POSIION DU PROBLEME La densté du flux thermque échangé par convecton entre la paro solde de l'aube et le flude s'écrt [2],[3]: q 0 où ho est le coeffcent de transfert thermque local sans le jet secondare, w est la température locale de la paro, et ", la température du flude dans la zone externe non perturbée. En présence du flm refrodssant, la densté locale du flux thermque s'écrt: q h f f Où h f est le coeffcent de transfert thermque local en présence du flm refrodssant, et f la empérature locale du flm (mélange entre le jet et l'écoulement prncpal). Dans ce qu précède, la détermnaton de la température du flm résultant du mélange entre le jet frod et les gaz chauds de l'écoulement prncpal est dffcle. Le problème est détourné en Défnssant une température admensonnelle: h 0 w w f c Où c est la température du jet frod au pont d'njecton Pusque les dfférentes températures ctées c-dessus vérfent toujours l'négalté suvante c < f < le rapport des températures dans la relaton (3) est toujours nféreur à l'unté. Pour les fables nombre de Mach et pour une paro adabatque la température de la paro en l'absence du flm refrodssant vérfe l'égalté suvante: (1) aw = (4) Où aw est appelée la température adabatque de la paro. En remplaçant f par aw. On défnt une température admensonnelle appelée effcacté adabatque du refrodssement par flm. aw c II-1- Modélsaton de la turbulence (5) (2) (3) II-1-1- Modèle K-ε standard à bas de nombre de Reynolds *Equatons de transport pour le modèle -epslon standard: Pour l'énerge cnétque turbulente: Pour epslon \ dsspaton: t u C p c p t x x x 1 3 b j j 2 C s 2 II-1-2-Modélsaton de la vscosté turbulente: *Vscosté turbulente est modélsée comme: t C 2 *La producton de K: P S est le module du tenseur moyen de vtesse de déformaton, défn comme: *Effet de frottement P t b P u p pb s x uu u S 2s j s j x j (6) (7) (8) (9) (10) (11) t g (12) Prt x 1 (13) p Où Pr t est le nombre de Prandtl turbulent de l'énerge et g est la composante du vecteur gravtatonnel dans le sens de la secton. Pour les modèles standard et de réalsaton, la valeur par défaut de Pr t est de 0, 85. j u S x 2 j t xj Journal of Scentfc Research N 0 vol. 1 (2010) 63

3 II-1-3- Constantes emprques: C (14) , C , C 0.09, 1.0, U 20m / s II-2- Descrpton du problème Ce problème consdère un modèle 3D d'une parte d'un flm de refrodssement banc d'essa. est représenté dans les fgures II-2 et II-3. Le problème se compose d'un condut, 60.02cm de longueurs, avec une secton de 1.83cm x 12.25cm un réseau de trous régulèrement espacés est stué au fond de la gane. Chaque trou a un damètre de 1.22cm, est nclnée à 35 degrés, et espacés de3.67cm latéralement. Le cooler njecte de l'ar entre dans le système à travers la chambre de tranqullsaton, avec des dmensons transversales de 8.08cm x 3.03cm.. En rason de la symétre de la géométre, une parte seulement de ce nom de domane dot être modélsé. La température de la masse de l'ar longtudnale ( ) est de 273 K, et la vtesse du flux d'ar est de 20 m/s. Le mur de fond de la gane qu coupe le tableau est supposé être un complètement solé (adabatque). L ar secondare pénètre dans la chambre de tranqulsaton à une vtesse unforme de 0,4559 m/s. La température de l'ar njecté (nj) est 136,6 K. les proprétés de l'ar qu nous utlsées dans le modèle sont présentés dans la fgure II-2. [3],[4],[5]. Fgure II-2 : Schéma de problème (vue dessus) III- Résultats et dscussons: Résoluton de problème de refrodssement par flm en utlsant un mallage non-conforme. Le système modélsé se compose de tros partes: Un condut, un orfce de jet, et une chambre de tranqullsaton. Le condut est modélsé avec un hexaèdre, et la chambre de tranqullsaton et l orfce de jet sont modélsés en utlsant un mallage tétraédrque. Ces deux mallages sont fusonnés pour former un mallage "hybrde". Avec une lmte de l'nterface non-conforme entre eux. En rason de la symétre de la matrce de trous, seulement une géométre est modélsée dans FLUEN, avec une symétre applquée à la surface extéreure. Fgure II-1 : Schéma de problème (vue de face) Fgure III- 1 : mallage hybrde Journal of Scentfc Research N 0 vol. 1 (2010) 64

4 Fgure III-2:Contour de la température statque Fgure III-5: Champs condensé du vecteur vtesse Fgure III-3: Contour de la température : nteracton jet-écoulement transversale Fgure III-6: champs du vecteur vtesse Fgure III- 4: Contour de la température: ntéreur du condut Fgure III-7: Vecteur vtesse dans la chambre de tranqullsaton-l orfce de jet Journal of Scentfc Research N 0 vol. 1 (2010) 65

5 empérature statque (K) a y = 5.52cm empérature statque (K) à y = 2.45cm empérature statque (K) à y = 0.245cm empérature statque (K) a dfférentes Postons de y Varaton de la température statque en foncton de la longueur de condut Fgure III-8: Longueur du condut Fgure-III-11: Longueur du condut IV- Concluson et perspectves Les travaux effectués dans cette étude présentent une contrbuton à la compréhenson des phénomènes physques assocés au refrodssement par flm des aubes de turbnes. Afn d'attendre ce but. Notre ntérêt a porté en premer sur la compréhenson du comportement thermque d'une aube de turbne exposée aux gaz émanant de la chambre de combuston. Fgure-III-9: Longueur du condut L ntérêt apporté par l'utlsaton d'un dspostf de refrodssement par flm, tout en mettant le pont sur les dfférents paramètres qu nfluencent son effcacté. Ces paramètres ont été classés en deux grandes catégores : les paramètres thermo- et hydrodynamque et les paramètres géométrques. Le problème étudé est à caractère fortement bdmensonnel, présentant un décollement et un rattachement de la couche lmte avec formaton d'un ensemble de vortex secondares. La complexté de la modélsaton numérque de ce type de problème est accentuée par l'exstence d'un mélange ntense et une nteracton drecte de deux écoulements ayants des caractérstques thermques assez dfférentes (température, masse volumque et drecton de l'écoulement). Fgure-III-10: Longueur du condut Le modèle de turbulence de second ordre de type ε est utlsé pour prédre le champ dynamque et thermque autour d une aube symétrque mune d une rangé de trous d njecton. Dans les perspectves nous espérons mettre le pont sur le taux d'njecton, le taux de la quantté de mouvement et le nombre de rangées d'orfces d'njecton ans leurs nclnasons. Journal of Scentfc Research N 0 vol. 1 (2010) 66

6 REFERENCES [1] A. azz, Smulaton de refrodssement des aubes de turbne, hèse 2001 [2] D. Cherrarred, S. Benmansour, G. Mompean et R. Dzene, Modélsaton numérque de l nteracton jets/écoulement prncpal Compressble par deux modèles de turbulence. 2.pdf [3] [4] Standard -epslon model, Fr.wpeda.org/W/ Modèle_standard [5]" Journal of Scentfc Research N 0 vol. 1 (2010) 67