Aerothermal Characteristics of Ribbed Surfaces at High Reynolds Number

La demande croissante pour augmenter l’efficacité énergétique et diminuer l'empreinte environnementale nécessite des efforts pour améliorer les performances de transfert de chaleur, en particulier à des nombres de Reynolds élevés, pour des applications telles que les turbines à gaz. Des études antérieures ont montré que l'amélioration de la performance globale de transfert de chaleur en surface est généralement obtenue avec des turbulateurs à nervures complexes (par exemple, angulaires et brisées) plutôt qu'avec des nervures simples qui sont continues et transversales à l'écoulement. L'objectif de la présente thèse est d'évaluer et d'améliorer les performances de transfert de chaleur d’une famille de turbulateurs sous la forme de nervures de type V et W à des nombres de Reynolds (basés sur le diamètre hydraulique) supérieurs à 100,000, un régime d'écoulement ayant reçu peu d'attention dans la littérature. Les turbulateurs sont essentiellement des éléments de rugosité de surface qui améliorent le transfert de chaleur en brisant la couche limite, en augmentant la turbulence et la surface exposée à l’écoulement. Cependant, ces caractéristiques peuvent également augmenter la chute de pression (par rapport à une surface lisse) et entraîner des gradients thermiques sur la surface, ce qui a un impact négatif sur les performances aérothermiques et la durée de vie des composants sur lesquels ils sont appliqués. Par conséquent, cinq configurations de turbulateurs (de trois formes différentes) ont été sélectionnées à partir de recherches antérieures indiquant leurs avantages et leur potentiel en termes de chute de pression limitée, d'augmentation du transfert thermique et d'uniformité du transfert thermique. Des expériences de thermographie transitoire à cristaux liquides (TLC) à haute résolution sont réalisées pour obtenir des distributions du coefficient de transfert de chaleur détaillées. La technique expérimentale utilisée dans cette étude offre des avantages et des défis uniques dans l'examen de la distribution du transfert de chaleur sur la surface mesurée. Compte tenu des nombres de Reynolds élevés visés par cette étude, un nouveau montage expérimental a été construit pour permettre l'utilisation dédiée de la thermographie TLC. La conception de l'installation et les mesures ont été réalisées en collaboration avec l'Oxford Thermo-Fluids Institute. Dans la première étude, un type de configuration en V brisé a été étudié à des nombres de Reynolds élevés. La soufflerie complète a également été simulée numériquement à l'aide d'un modèle RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) afin d'évaluer la capacité de cette méthode pour estimer la distribution du transfert de chaleur sur la surface. Les résultats indiquent que les principales zones d'augmentation du transfert de chaleur, correspondant aux tourbillons longitudinaux, ont été bien capturées par les simulations numériques. Cependant, les zones de transfert de chaleur élevé et faible ont été surestimées et sous-estimées, respectivement, par l'analyse numérique. Cette étude révèle un besoin pour des méthodes numériques plus avancées afin de capturer les détails de l'écoulement secondaire. Dans la deuxième étude, l'effet de la rupture d'une nervure en forme de W a été examiné expérimentalement, indiquant la performance supérieure de la configuration en W rompu par rapport à la configuration en W continu. Compte tenu de l'impact de l'espacement des nervures sur les performances thermiques des turbulateurs, cet espacement a été modifié pour la configuration en W brisé et la configuration optimale a été identifiée. Les résultats expérimentaux et numériques indiquent que de forts tourbillons longitudinaux émanent des branches divergentes de la configuration en W brisé et améliorent le transfert thermique local. L'introduction de fentes dans les branches convergentes de la configuration en W brisé n'a pas entraîné une augmentation similaire du transfert de chaleur. Dans les derniers chapitres, des travaux complémentaires sont proposés ainsi qu'une discussion sur l'impact du refroidissement du turbulateur sur l'état thermo-mécanique des composants. Cette étude contribue à faciliter l'utilisation du refroidissement convectif amélioré dans les applications à nombre de Reynolds élevé telles que les turbines à gaz, ce qui peut contribuer à améliorer les performances du moteur et à réduire les émissions. Ceci est réalisé en fournissant une cartographie détaillée de l'espace de conception en ce qui concerne la performance du turbulateur et en fournissant un aperçu des caractéristiques de l'écoulement large, responsable de l'augmentation du transfert de chaleur. Bien que les turbines à gaz soient utilisées comme exemple principal d’application d'une conception améliorée de surface pour l’échange de chaleur, l'intention générale de cette étude est d'améliorer les connaissances fondamentales en transfert de chaleur convectif. Une étude de suivi, avec les configurations sélectionnées, est recommandée dans un canal plus large et plus long pour évaluer un espace de conception plus vaste, en ce qui concerne les applications industrielles dans les turbines à gaz et au-delà.