Film cooling

Intervenants:

  • Zineb HEMMAMI (PhD students)
  • KHAMANE Hamza (PhD Student)
  • DJEDIANE Meriem (PhD Student)
  • BENSALAH Bakhta (PhD Student)
  • Faiza GHEZALI (Maître Assistant A, PhD Student)
  • BRAHIM Mimouna (Maître Assistant A, PhD Student)
  • Fadéla NEMDILI (Maitre de conférences A)
  • Ahmed Zineddine DELLIL (Maitre de conférences A)
  • Abbès AZZI (Professor)

Description du thème :

Film-cooling ou refroidissement par film est un procédé de refroidissement utilisé principalement pour le refroidissement des composants des turbines à gaz. Les aubes des premiers étages sont spécialement exposées aux gaz extrêmement chaud et doivent bénéficier d’un système de refroidissement très sophistiqué et bien étudié au risque de détérioration prématurée. En plus du refroidissement par des canaux internes (par convection et jet impactant), l’air de refroidissement est injecté à travers des orifices judicieusement distribuées (spécialement dans la zone du bord d’attaque de l’aube) et vient s’aplatir sur la surface externe de l’aube formant ainsi un film d’air froid (de température inférieur à celle des gaz chaud) pour protéger l’aube.

Le principe est assez ancien et largement utilisé par l’industrie aéronautique. D’un point de vu académique la performance de ce système est quantifiée à travers l’efficacité de refroidissement qui n’est autre qu’une température adimensionnelle variant entre 1 et 0. Cette efficacité est présentée en forme de contour sur la surface à refroidir, distribution longitudinale le long d’une ligne centrale ou encore en valeur moyennées latéralement. Coté modélisation, les modèles RANS et plus spécialement le k-eps sont connus pour leurs manque de dispersion latérale d’où une surestimation de la ‘centerline adiabatic film cooling effectiveness’ et une sous-estimation de la ‘Laterally Averaged adiabatic film cooling effectiveness’. Des travaux dans ce sens sont largement publiés dans la littérature spécialisée. La modification de Bergles ainsi que divers améliorations des modèles RANS, la LES et les divers variantes de la DES donnent de meilleurs résultats dans ce sens.

Normalement l’efficacité de refroidissement est proportionnelle aux taux d’injection du fluide refroidissant jusqu’à un seuil optimal après quoi elle diminue. La raison est bien sur le décollement du jet qui s’éloigne de la couche limite et va se disperser dans l’écoulement principal. En pratique, pour garder une bonne efficacité avec des taux d’injection élevé en incline longitudinalement ou encore de manière composée le trou d’injection. L’évasement de l’orifice d’injection aide beaucoup à maintenir une bonne efficacité. Au-delà de ces deux modifications effectivement adoptées par le monde industriel, divers formes plus pou moins compliquées font le sujet de beaucoup de recherches académiques.

En fait, pour isoler ce type de refroidissement des autres, les chercheurs parlent dans leurs publications de l’efficacité adiabatique. Aussi bien en expérimental qu’en numérique on s’arrange pour appliquer une condition de parois adiabatique sur la surface à refroidir. Comme mentionné plus haut, cette approche permet de concentrer l’étude sur le refroidissement par film. En réalité, la paroi est plutôt conductrice et il y a cohabitation des deux phénomènes de conduction et de convection (problème de transfert de chaleur conjugué). Les études prenant en considération les deux phénomènes ensemble parlent d’efficacité équivalente. Dans notre équipe, Melle GHEZALI Faiza s’est intéressé à cette approche durant son mémoire de Magister et a continué dans la même direction durant sa recherche de Doctorat.

Recherche en cours :

  • Parmi les recherches en cours, Mme NEMDILI Fadéla explore l’effet d’une injection pulsée sur l’efficacité de refroidissement sur une aube symétrique. Elle utilise la suite logicielle ANSYS-CFX pour ces calculs.

  • L’autre sujet en cours consiste à explorer l’adoption de différente forme de rampe avant le point d’injection du fluide refroidissant. Melle HAMMAMI Zineb utilise la suite logicielle ANSYS-Fluent pour explorer ce sujet dans le cadre de sa thèse de Doctorat 3ème Cycle (LMD).

Travaux antérieurs :

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