Concevoir des dispositifs thermiques plus compacts, nécessitant moins de masse de matière, produisant moins de pertes de charge et présentant un rendement thermique accru représente un enjeu clé pour des performances améliorées à un coût moindre. La présente thèse étudie le potentiel et la validité de l’optimisation topologique en tant qu’outil CFD viable permettant de générer des designs thermiques optimaux par rapport aux approches conventionnelles telles que l’optimisation de forme et paramétrique. La première partie de la thèse présente une étude expérimentale de structures bi matériaux arborescentes optimales obtenues par optimisation topologique. Le problème mathématique d’optimisation topologique est formulé et implémenté dans OpenFOAM®. Il est appliqué au problème d’optimisation de la conduction thermique dans une configuration de type volume-vers-point. Des mesures thermiques expérimentales sont effectuées sur les structures optimisées, en utilisant la thermographie infrarouge afin de quantifier leurs performances de transfert de chaleur et ainsi validé les performances des structures optimales déterminées par le code d’optimisation topologique développé. La deuxième partie de la thèse présente une technique bi-objectif innovante d’optimisation topologique des systèmes de transferts de chaleur conjugués (CHT, Conjugate Heat Transfer) en régimes d’écoulement laminaires. Pour cela, le problème est développé mathématiquement et implémenté dans le solveur OpenFOAM® basé sur une méthode directe par volumes finis. La fonction objectif est formulée par la pondération linéaire de deux fonctions objectifs, l’une pour la réduction de la perte de charge et l’autre pour l’augmentation du transfert de chaleur. Ceci représente une cible très difficile du point de vue numérique en raison de la concurrence entre les deux objectifs (minimisation de la perte de charge et maximisation de la puissance thermique récupérable). Des designs non intuitifs, mais optimaux au sens de Pareto, ont été obtenus, analysés, discutés et justifiés à l’aide de diverses méthodes d’analyses numériques globale et locale. De plus, une configuration identique à une optimisation par une méthode Lattice Boltzmann issue de la bibliographie a été optimisée en utilisant le solveur OpenFOAM® développé. L’objectif, en complément de la comparaison des solutions optimales, est également d’initier un cas de référence pour les futures études dans ce domaine de recherche et d’innovation de façon à pouvoir pleinement comparer les solutions optimales obtenues par différences méthodes et différents solveurs. Enfin, les différents points expérimentaux et numériques mis en lumière et illustrés dans cette thèse démontrent l’importance de la méthodologie et potentiel très important de l’optimisation topologique pour la conception de systèmes thermiques industriels plus performants. / Designing thermal devices that are more compact with less mass, less frictional losses and increased thermal efficiency is a key requirement for enhanced performances at a lower cost. The present PhD thesis investigates the potential and validity of topology optimization numerical method as a viable CFD tool to generate optimal thermal designs as compared to conventional approaches like shape and parametric optimization. The first part of the thesis presents an experimental investigation of topology optimized tree-like structures made of two materials. The topolgy optimization mathematical problem is formulated and implemented in OpenFOAM®. It is applied to the topolgy optimization problem of volume-to-point heat removal. Experimental thermal measurements are carried out, on the optimal structures, using infrared thermography in order to quantify their heat transfer performances and thus validate the performances of the optimal structures determined by the developed topology optimization code. The second part of the thesis presents an innovative bi-objective optimization technique for topology optimization of Conjugate Heat Transfer (CHT) systems under laminar flow regimes. For that purpose, an inequality constrained bi-objective topology optimization problem is developed mathematically and implemented inside the Finite Volume based OpenFOAM® solver. The objective function is formulated by linear combination of two objective functions for pressure drop reduction and heat transfer enhancement which is numerically a very challenging task due to a competition between the two objectives (minimization of pressure drop and maximization of recoverable thermal power). Non-intuitive Pareto-optimal designs were obtained, analyzed, discussed and justified with the help of various global and local numerical analysis methods. Additionally, a recent Lattice Boltzmann topology optimization problem form the literature was solved using the developed OpenFOAM® solver. The objective, in addition to the comparison of the optimal solutions, is also to initiate a case of reference for future studies in this field of research and innovation so as to be able to fully compare the optimal solutions obtained by different and different methods. solvers. Finally, the various experimental and numerical findings highlighted and illustrated in this PhD thesis, demonstrate the importance of the methodology and immense potential behind topology optimization method for designing efficient industrial thermal systems.

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.

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.