Refroidissement par film (film cooling)

Le refroidissement par film est une technique de pointe utilisée principalement pour le refroidissement des aubes des turbines à gaz. En effet les aubes des premiers étages de ce type de turbine sont exposées aux très fortes températures des gaz chauds émanant directement de la chambre de combustion. La technique consiste à utiliser une fraction du débit d’air à la sortie du compresseur pour le refroidissement interne par convection. Des trous judicieusement aménagés sur les aubes permettent à l’air froid de s’injecter dans la zone des gaz chauds. Le but est de réaliser une couche d’air froid (film) pour protéger la paroi externe de l’aube. Du point de vue thermique et aérodynamique, le processus est très complexe et nécessite beaucoup d’efforts pour la compréhension et la maîtrise de l’efficacité globale du refroidissement. Un des paramètres les plus sujets à la recherche est l’influence de la géométrie des trous d’injection.

Notre approche à ce thème a commencé par l’étude numérique faite dans le cadre de la thèse de doctorat d’état. Une simulation numérique utilisant la méthode RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) et le modèle de turbulence universelle (k-eps) a permis de comprendre l’essentiel des mécanismes intervenants dans ce type de processus thermo-fluide. La principale conclusion tirée de cette première étape de calcul, confirme que l’approche d’application de la loi logarithmique pour by passer la résolution de la sous couche visqueuse près des parois solides est un handicape majeur et qu’une bonne prédiction numérique doit principalement passer par la fine résolution de cette zone. Il a été démontré que la structure de l’écoulement dans cette région influe de façon dramatique sur le processus globale du transfert de chaleur et sur la structure de l’écoulement. Par conséquent, l’utilisation d’un type de modèles RANS plus évolués s’impose. La suite de nos investigations numériques sont basée sur l’utilisation de la modélisation bi couche.

Une autre conclusion très importante concerne la condition limite à l’entrée des trous d’injections qui peut fausser complètement les résultats du calcul, surtout pour les configurations à rapport longueur/diamètre assez faible. Pour remédier à cette faiblesse, la boite d’alimentation (plenum) sera toujours considérée comme partie intégrante dans le domaine de calcul.

Azzi, A., Abidat, M., Jubran, B. A., and Theodoris, G. S., (2001) « Film Cooling Prediction of Simple and Compound Angle Injection from One and Two Staggered Rows« , Numerical Heat Transfer, Part A, (Taylor & Francis), Vol.40, N3, pp. 273-294. (pdf)

  • Tenant compte des deux remarques ci-dessus nous avons développé un modèle de turbulence type (k-eps) bi-couche avec une correction ad hoc pour tenir compte de la turbulence anisotrope et remédier à la faible dispersion latérale mentionnée par plusieurs chercheurs dans le domaine. Une description détaillée du modèle ainsi que son application à un cas test de film cooling ont fait l’objet d’une publication.

Azzi, A., and Lakehal, D., (2002) « Perspectives in Modelling Film-Cooling of Turbine Blades by Transcending Conventional Two-Equation Turbulence Models« , ASME, J. Turbomachinery, Vol. 124, pp. 472-484. (pdf)

  • Naturellement, l’étude a été suivi de plusieurs tests paramétriques incluant l’influence des angles d’injection, la longueur des trous d’injection, la forme géométrique des trous et leurs positions par rapport au bord d’attaque de l’aube.

Azzi, A., and Jubran, B. A., (2003) « Numerical Modelling of Film Cooling from Short Length Stream-Wise Injection Holes« , Heat and Mass Transfer (springer), Vol. 39, pp. 345-353. (pdf)

Azzi, A., and Jubran, B. A., (2004) « Influence of leading-edge lateral injection angles on the film cooling effectiveness of a gas turbine blade« , Heat and Mass Transfer (springer), Vol. 40, pp. 501-508. (pdf)

  • Nous avons testé les performances d’une nouvelle géométrie de trous d’injection très prometteuse appelée console et  qui consiste en un trou cylindrique qui se transforme graduellement en une fente rectangulaire au bord de l’injection. Cette nouvelle géométrie contribue à l’élimination des deux vortex contra rotatifs responsables de la dégradation du refroidissement par film.

Abbès Azzi & Bassam A. Jubran, (2007) “Numerical modelling of film cooling from converging slot-hole”, Heat and Mass Transfer (springer), Vol.43, pp. 381-388. (pdf)

  • L’étape suivante de notre investigation a été caractérisée par l’utilisation de la suite commerciale ANSYS ICEM CFX et le choix systématique du modèle de turbulence SST proposé par Menter. L’utilisation du code commerciale nous a donnée une grande souplesse à combiner des géométries d’aubes assez complexes et des maillages multibloc très sophistiqués (architecture en O).

Mustapha Benabed, Abbès Azzi and Bassam Ali Jubran, Numerical Investigation of the Influence of Incidence Angle on an Asymmetrical Turbine Blade Model Showerhead Film Cooling Effectiveness, Heat and Mass Transfer (springer),Volume 46, (2010), pp. 811–819. (pdf)

  • Nous avons aussi utilisé cet outil CFD pour tester les performances du modèle RANS de second ordre (Reynolds Stress Model, RSM) sur des aubes AGTB.

Fadéla Nemdili, Abbès Azzi, Georgios Theodoridis and Bassam Ali Jubran, (2008) “Reynolds Stress Transport Modelling of film cooling at the leading edge of a symmetrical turbine blade model”, International Journal of Heat Transfer Engineering, (Taylor & Francis), 29(11), pp. 950-960. (pdf)

  • Notre dernière étude en date concerne l’effet des défauts des trous d’injection sur les performances globales du refroidissement.

Fadéla Nemdili, Abbès Azzi, B.A. Jubran, (2011) « Numerical investigation of the influence of a hole imperfection on film cooling effectiveness« , International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, Vol. 21 Iss: 1, pp.46 – 60 (pdf)

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1 réponse à Refroidissement par film (film cooling)

  1. BERKACHE dit :

    Pr AZZI assallam alaikoum wa rahamattou allah wa barakatouhou

    Je suis BERKACHE amar Doctorant du PR R.DIZENE de L’USTHB, je suis dans le même de recherche que le votre c’est à dire : refroidissement des aubes des turbines à gaz par film cooling et ce depuis 2006. Ma recherche se base surtout sur une étude éxperimentale afin de valider des calculs numériques avec le code fluent et la methode L.E.S. Le Pr Monsieur GILMAR MONPEAN m’a accordé un stage de 1 mois à L’université de Lille du 1 Avril au 30 Avril 2012 afin d’essayer d’entamer une étude expérimentale.
    le titre de ma these est le suivant:
    APPLICATION DE LA METHODE L.E.S A UNE INTERACTION JETS/ECOULEMENT TRANSVERSAL : EFFETS SUR LES ECHANGES THERMIQUES EN SURFACE DE PLAQUE PLANE. COMPARAISON AVEC L’EXPERIENCE
    Mr AZZI, je vous prie de bien vouloir me répondre et de me dire si vous pouvez me donner un coup de main sur ce domaine vu votre réputation dans cet axe de recherche
    Veuillez recevoir mes salutations les plus distinguées
    A . BERKACHE
    Maître assistant à l’université de Msila
    Doctorant à l’USTHB

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