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Theses Year : 2009

Coupled thermomechanical fluid-structure interaction in the secondary air system of aircraft engines

Interaction fluide-structure par couplage thermomécanique dans le système d’air secondaire des turboréacteurs

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Abstract

In jet engines, the secondary air system, or SAS, takes care of a variety of important functions. In particular, secondary air flows control material temperatures and thermal expansion of engine parts, especially seal clearances. To check the fulfilment of these functions in the engine design phase, gas properties, temperatures, pressures and mass flow rates, must be accurately predicted. Up to now, the aerodynamic calculations leading to mass-flow rates, fluid pressures and temperatures and the thermal calculations yielding material temperatures are performed separately. A lot of interactions are neglected, the treatment of which would require numerous time consuming iterations. Indeed, material temperature changes lead to a modification of the expansion of the interacting parts yielding significant modifications in the gaps which control mass-flow rates. Since gap width has an important influence on the pressure losses, the interaction between aerodynamic, thermal and solid mechanics solution to the problem is expected to be important. The present investigation aims at taking this interaction into account in a robust analysis tool, combining SAS, thermal and mechanical analysis. An integrated program suite has been created, which allows to calculate these effects steady state. The basic concept is a network consisting of nodes representing the chambers and connected by pressure loss elements. Using a finite-element-compatible formulation, the network is embedded in a thermo-mechanical finite element model of the engine within an unique model and solved using the free software finite element CalculiX. This is done in the form of a module in which the gas pressure temperature and mass-flow are calculated based on the structural temperature and deformation of the previous iteration and serve as boundary conditions to the thermo-mechanical model for the next iteration.
Dans un turboréacteur, le système d'air secondaire remplit de multiples fonctions. Les flux d'air secondaire contrôlent les températures des matériaux et l'expansion thermale des parties moteurs, en particulier les écartements des joints d'étanchéité. Pour s'assurer de la réalisation des diverses fonctions dès la phase de développement, les différentes propriétés du gaz doivent être correctement prédîtes. Actuellement, les calculs aérodynamiques, livrant les flux les températures et les pressions d'air, sont séparés des calculs thermiques, livrant les températures matériaux. Les interactions dont le traitement nécessite de nombreuses itérations sont ignorées. En effet, un changement de température matériau modifie l'expansion relative des parties moteurs, redéfinissant ainsi l'écartement des joints qui a son tour contrôle les débits d'air. La définition de l'écartement de joint influant de manière importante sur les pertes de charges, un fort effet de couplage est attendu. Le but de l'étude est de prendre en compte ces interactions au sein d'un nouvel outil combinant analyse du système d'air secondaire et calculs thermique et mécaniques. Une série de modules intégrés permet de considérer ces effets dans les cas stationnaires. Un réseau constitue de nodes représentant les chambres connectées par des éléments assimiles a des pertes de charges constitue la base du concept. Utilisant une formulation compatible avec la topologie Elément Finis, le réseau est imbrique dans le modèle Eléments Finis thermomécanique au sein d'un modèle unique et résolu grâce au logiciel CalculiX. Températures, pressions et débits sont calculés basé sur les températures et déformations matériau de l'itération précédente et servent de conditions limites au calcul thermomécanique dans l'itération suivante.
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tel-03032916 , version 1 (01-12-2020)

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  • HAL Id : tel-03032916 , version 1

Cite

Yannick Muller. Coupled thermomechanical fluid-structure interaction in the secondary air system of aircraft engines: contribution to an integrated design method. Mechanics [physics.med-ph]. Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis, 2009. English. ⟨NNT : 2009VALE0020⟩. ⟨tel-03032916⟩
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