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3D-modeling and simulation of transport and physicochemical transformations in a high pressure turbine of an aircraft engine

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Nguyen, Trung Hieu (2018). 3D-modeling and simulation of transport and physicochemical transformations in a high pressure turbine of an aircraft engine. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Detailed investigation of aerothermodynamics and chemical processes in the high pressure turbine is challenging because of the complexities of 3D flow and kinetic chemistry relating to the moving blade at high temperature and pressure. We present herein, for the first time, new insights into the study of the 3D design, the tridimensional simulations of interaction between aerothermodynamics and chemical process, the evolutions of aerothermodynamics parameters under various operational conditions (Landing and Take-Off cycle), the chemical transformations of species (N-, S-, O-, H- and C-containing gases) in a high pressure turbine. For the first time, three numerical simulations based on 1D, 2D and 3D approaches of trace species transformations have been performed throughout an aircraft engine.

We also shed light on the effect of 3D blade profile, radial spacing between blades, and rotation speed of rotor on the performance of a multi-row high pressure turbine. The vortex flow appearing in both rear stator blades and rotor blades has a strong effect on chemical transformation while the chemical processes could have also a relative impact on the flow parameters. As an example, calculations carried out with and without chemical reactions could reach variations up to 17 % for temperature field in the trailing edge of the rotor blades and 39 % for the velocity field, mainly located in the mixing plane of stator-rotor, in the trailing edge of the stator blades.

Furthermore, our calculations indicate that the relationship between the aerothermodynamics parameters and the values of power setting is strongly convoluted. As an example, the thermal boundary conditions and rotor speed have strongly affected the temperature and velocity fields (14 % and 31 %, respectively). Contrary, the cooling system does not appear to affect the aerothermodynamics fields (about 2 %).

Finally, the 3D simulations show strong inhomogeneities in chemical transformations throughout the turbine HP. 1D, 2D and 3D simulations have been compared and the results show that the differences of mole fractions of species could reach 75 % between 1D and 2D calculations and 90 % when comparing 2D and 3D calculations.

Titre traduit

3D-Modélisation et simulation de turbulence et transformations physicochimiques dans la turbine haut pression d'un moteur d'avion

Résumé traduit

L’étude détaillée des processus aérothermodynamique et chimique se produisant dans la turbine haute pression (HP) d’un moteur aéronautique de type turbosoufflante présente un grand défi en raison de la complexité de l’interaction entre l’écoulement tridimensionnel autour des aubes fixes dans le stator et en rotation dans le rotor et les transformations chimiques. Une étude de conception 3D d’une turbine HP associée à des simulations tridimensionnelles de l’écoulement a été effectuée en incluant les transformations chimiques pour différents régimes moteur. Les évolutions des paramètres aérothermodynamiques ainsi que les espèces chimiques (composants gazeux à base de N, S, O, H et C) ont été présentées. Les effets du profil 3D, de l'espacement radial inter-aubes ainsi que la rotation du rotor sur la performance d'une turbine haute pression multiétages ont été étudiés. Il a été montré que l’écoulement tourbillonnaire généré en aval des aubes de stator et de rotor a une forte incidence sur les transformations chimiques. Par ailleurs le dégagement de chaleur produit par les réactions chimiques a une influence non négligeable sur le comportement de l’écoulement provoquant une modification des champs de température et de vitesse. A titre d’exemple, les simulations avec et sans réaction chimique peuvent entrainer des variations de l’ordre de 17 % pour le champ de température dans la zone du sillage du rotor et de 39 % pour le champ de vitesse dans la zone du sillage du stator (plan de mélange). D’autre part, différentes conditions d’opération associées au cycle LTO ont été étudiées pour mettre en évidence la relation entre le régime moteur et les paramètres aérothermodynamiques de l’écoulement. À titre d’exemple, les conditions aux limites thermiques ainsi que la vitesse du rotor peuvent fortement affecter les champs de température et de la vitesse (14 % et 31 %, respectivement). A l’inverse, le système de refroidissement ne semble pas influencer les champs aerothermodynamiques (environ 2 %).

Enfin, les résultats ont montré de fortes inhomogénéités dans les transformations chimiques le long des profils des aubes. Par exemple, les comparaisons entre les simulations 1D, 2D et 3D montrent des variations importantes sur l’évolution des fractions molaires qui peuvent atteindre 75% entre les calculs 1D et 2D et de l’ordre de 90% entre les calculs 2D et 3D.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 105-114.
Mots-clés libres: Turbulence Modèles mathématiques. Turbulence Simulation par ordinateur. Réactions chimiques Modèles mathématiques. Réactions chimiques Simulation par ordinateur. Aérothermodynamique. Tourbillons (Mécanique des fluides) Dynamique des fluides numérique. Avions Turbines à gaz. Hautes pressions. Polluants atmosphériques. modélisation 3D, turbine haute pression, processus aérothermodynamique, processus chimique, polluants précurseurs
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Garnier, François
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 28 août 2018 16:03
Dernière modification: 28 août 2018 16:03
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2078

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