Ce travail expérimental s’intéresse à l’écoulement en aval d’un swirler statique court. L’induction d’un mouvement de swirl est une solution connue pour augmenter le gradient pariétal de vitesse. L’augmentation du frottement pariétal présente un intérêt industriel dans les échangeurs de chaleur pour accroître leurs potentiels de transfert de chaleur et diminuer leurs vitesses d’encrassement. Nous proposons d’approfondir la connaissance des écoulements avec swirl décroissant à faibles nombres de Reynolds pour lesquels l’intérêt énergétique est a priori plus important. Dans un premier temps, le champ d’écoulement est caractérisé à l’aide de méthodes optiques, pour identifier le type de tourbillon caractérisant le swirl. Dans un second temps, la méthode électrochimique est utilisée pour mesurer le frottement pariétal instationnaire. Par analogie, ces mesures permettent d’obtenir une première estimation du transfert de chaleur en écoulement anisotherme. / This experimental work is interested in understanding the flow downstream a short static swirler. Inducing a swirl motion is a known solution to increase the wall velocity gradient. The increase in wall shear stress is useful in industrial heat exchangers in order to enhance their heat transfer capabilities and reduce their fouling rates. We try to go deeper into knowledge of decaying swirl flows, for low Reynolds number for which energy interest is greater a priori. First, we study the flow field with optical methods in order to identify type of vortex characteristics of the swirl. Second, electrochemical method is used to measure the unsteady wall shear stress. By analogy, these measurements give a first estimate of the heat transfer for the case of non-isothermal flows.

Ce travail de thèse, réalisé dans le cadre d’une convention CIFRE entre TURBOMECA et le CERFACS et en partenariat avec l’IVK, se place dans un contexte d’amélioration des performances des turbines axiales équipant les turboréacteurs d’hélicoptère. Un des points critiques du dimensionnement de tels moteurs est la maitrise de la durée de vie des pales de la turbine haute pression qui font face à de très hautes températures provenant de la chambre de combustion. Les prédictions numériques de l’environnement aérothermique des pales (écoulements dans la veine et système de refroidissement) sont réalisées aujourd’hui dans le milieu industriel à l’aide de la modélisation Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS). Grâce à des capacités de calculs grandissantes, l’approche Simulation aux Grandes Echelles (SGE) offre désormais un nouveau potentiel de prédictions d’écoulements. Les travaux de cette thèse s’intéressent ainsi à la capacité de la SGE à prédire l’écoulement du circuit de refroidissement interne d’une pale de turbine. Pour simplifier l’analyse de ce problème ou plusieurs phénomènes physiques sont en jeu, une progression en trois parties est proposée. La première s’intéresse à l’étude aérothermique de géométries simplifiées de canaux de refroidissement (coude à 180° et canal avec promoteurs de turbulence) en configuration statique. Aux régimes d’écoulement considérés, une approche résolue en paroi avec maillage non-structuré hybride est proposée et validée en vue d’une application industrielle facilitée. La seconde partie étend l’analyse de l’écoulement à un cas de canal avec promoteurs de turbulence en rotation utilisant une méthode de résolution numérique dans un repère absolu. Les investigations des résultats de la SGE fournissent des prédictions moyennes et instationnaires en bon accord avec les expériences disponibles et les travaux précédents aussi bien pour la dynamique de l’écoulement que les transferts de chaleur. Enfin, une troisième partie présente une application de la méthode sur un cas de pale réelle avec couplage thermique entre le circuit de refroidissement et le solide de la pale. Cette dernière partie classée confidentielle n’est pas présente dans le manuscrit disponible publiquement. Les résultats de l’approche résolue en paroi et de la rotation dans le repère absolu comparés aux résultats RANS disponibles pour le cas applicatif montrent d’importante différences locales et ainsi le potentiel de la méthode proposée. / This PhD dissertation, conducted as part of a CIFRE research project between TURBOMECA and CERFACS in partnership with the VKI, deals with improving performance of axial turbines from helicopter engines. One of the most critical design points of such engines is the control of the high pressure turbine blade lifetime which face the high temperatures from the combustor. Today, industrial numerical aerothermal predictions of the flows around the blade (in the vein and in its cooling system) are performed with the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS). Thanks to the increasing computational power, Large Eddy Simulation (LES) becomes affordable to offer further flow predictions. Therefore, this thesis focuses on the capabilities of the LES to estimate the flow in turbine blade internal cooling channels. To simplify this analysis where several physical phenomenon are present, the problem is described in three parts with increasing complexity. The first part addresses simplified typical geometries of cooling channel (U-bend and ribbed channel) in a static configuration. Considering the flow regime, a wall-resolved approach using a hybrid unstructured mesh is proposed in view of the application on an industrial case. The second part extends the study of the ribbed channel in rotation using an inertial reference frame. LES provides mean and unsteady results in good agreement with the available experimental data and previous works, for the flow dynamic and the heat transfer. Finally, the third part presents the application of the method to an industrial case with conjugate heat transfer between a complex cooling channel and the blade. This last section is not present in the public manuscrit for confidential reasons. Results of the use of the wall-resolved approach in rotation in an inertial frame of reference are compared to RANS predictions and show the potential of the method with high local differences.

[pt] Trocadores de calor são equipamentos essenciais do sistema de resfriamento de equipamentos de processo, visando assegurar a sua eficácia e eficiência operacional. O objetivo do trabalho é a simulação computacional do escoamento do fluido de transporte dos artefatos de limpeza de uma alternativa tecnológica de trocadores de calor que dispensa a interrupção do processo industrial. A motivação resultou do potencial da ferramenta computacional CFD em gerar resultados numéricos de interesse, complementando a base de dados experimentais em locais críticos do escoamento difíceis de serem instrumentados. A simulação foi realizada pelo Fluent/Ansys 2023 R2, utilizando-se o modelo de turbulência κ-ômega SST (Transporte da tensão de cisalhamento), baseado na abordagem média de Reynolds (RANS - Reynolds-Averaged Navier-Stokes). Os resultados da simulação (campos de velocidade, pressão e estruturas da turbulência) orientaram ajustes e melhorias localizadas no projeto construtivo da alternativa tecnológica de limpeza online proposta, permitindo eliminar zonas de recirculação e uma redução de 62,2 por cento nas perdas de carga localizadas, que tão drasticamente impactam nos custos de bombeamento do fluido de transporte dos artefatos de limpeza. A pressão simulada reproduziu o resultado da medição com 2,5 por cento de concordância. Como conclusão, a ferramenta computacional provou ser estratégica para orientar a melhoria do projeto construtivo do dispositivo inovador de limpeza online. Se por um lado os dados experimentais provêm uma referência confiável fundamentada em medições rastreáveis a padrões de referência, por outro, a simulação numérica provê relevantes informações em todo o domínio do escoamento. / [en] Heat exchangers are essential equipment in the cooling system of various process equipment, aiming to ensure its effectiveness and operational efficiency. The objective of the work is the computational simulation of the fluid flow transporting cleaning artifacts from a technological alternative for heat exchangers that does not require interruption of the industrial process. The motivation resulted from the potential of the CFD computational tool to generate numerical results of interest, complementing the experimental database in critical flow locations that are difficult to instrument. The simulation was carried out by Fluent/Ansys 2023 R2, using the κ-omega SST (Shear Stress Transport) turbulence model based on the Reynolds average approach (RANS - Reynolds-Averaged Navier-Stokes). The simulation results (velocity, pressure fields, and turbulence structures) guided adjustments and localized improvements in the constructive design of the proposed online cleaning technological alternative, allowing the elimination of recirculation zones and a 62.2 percent reduction in localized pressure losses that so drastically impact the costs of pumping the fluid to transport cleaning artifacts. The simulated pressure reproduced the measurement results with 2.5 percent agreement. In conclusion, the computational tool proved to be strategic in guiding the improvement of the constructive design of the innovative online cleaning device. If, on the one hand, experimental data provides a reliable reference based on measurements traceable to reference standards, numerical simulation provides relevant information across the entire flow domain.