L’ONERA et ANDHEO récompensés pour une simulation aérothermique radicalement innovante

Tristan Soubrié (2^e), directeur associé d’ANDHEO, et Marc Errera (3^e), responsable technique du projet "couplage aérothermique transitoire" à l’ONERA, reçoivent  le prix « collaboration » des Trophées de la simulation numérique. 28 juin 2016, École polytechnique -  ©TERATEC

Multi-physique et couplages

Ces  travaux ont été réalisés à la demande de Safran Aircraft Engines et financés par la direction générale de l’Aviation civile. Il s’agissait de permettre la simulation, dans un temps proche du temps réel, du  transitoire thermique dans les structures métalliques d’un moteur aéronautique sur toute la durée d’un vol (plusieurs heures), du décollage à l’atterrissage.

Cette problématique était un véritable défi, puisqu'elle nécessitait de mettre en place des méthodologies originales, à la fois précises et performantes, concernant le couplage des modes de transfert thermique entre milieux fluides et solides. L’enjeu de la collaboration ONERA-ANDHEO était de surmonter tous les problèmes numériques et d’élaborer une stratégie utilisable dès que possible dans les bureaux d’études.
 

Simulation thermique fluide-structure pour le disque de la turbine haute pression (moteur type CFM 56). Au centre, le disque (en coupe transversale) dont les températures peuvent atteindre 1500°C à la sortie de la chambre de combustion (en rouge). En bleu, contre le disque, le système de refroidissement par air dont la température atteint tout de même 7 à 800°C. Simulation en deux heures d'un vol de 7600 secondes.

A l'origine du projet, des travaux de recherche ONERA subventionnés en interne sur des techniques innovantes de couplage aérothermique entre structures et fluides. Les résultats prometteurs obtenus par les chercheurs de l'ONERA ont débouché sur un engagement de Safran Aircraft Engines : l'avancée paraissait en effet suffisamment mûre pour passer à l'étape de démonstration sur un cas industriel.

L'état couplé stabilisé en chaque point du cycle est obtenu par un processus itératif, considéré comme convergé lorsque l'écart maximal de température entre le fluide et le solide atteint 0.001°C. Ici le système de refroidissement en contact avec le disque
 

Performance exceptionnelle en temps de calcul

Les ingénieurs d'ANDHEO, associés aux chercheurs de l'ONERA ont dans un premier temps mis en place une plateforme couplée entre le logiciel Fluent (mécanique des fluides) et le logiciel Zset-Zebulon (co-développé par l'ONERA) pour la partie structure et transferts thermiques dans les solides. L'outil permettant ce couplage fort est la bibliothèque OpenPalm, outil open source co-développé par le Cerfacs*  et l'ONERA. Les méthodologies de couplage ont ensuite été testées de façon systématique à l'ONERA.

Puis, au final, c'est la PME ANDHEO, partenaire de longue date de l'ONERA, qui a réalisé un calcul industriel montrant l'efficacité des procédures numériques développées à l'ONERA. "Aujourd'hui, deux heures de simulation suffisent avec cette approche Fluent-OpenPalm-Zset-Zebulon pour analyser la charge thermique durant un vol complet, soit 300 fois moins que ce que l'on aurait obtenu avec la solution de couplage interne de Fluent" se félicite Tristan Soubrié.

Le succès de cette opération repose en particulier sur la nature innovante des approches numériques en couplage aérothermique stationnaire (2013), qui ont pu être adaptées par l'ONERA au transitoire. Il est devenu ainsi possible d'analyser un transitoire dans les structures sur des périodes très longues. La performance de la stratégie de couplage provient de calculs fluides à des moments successifs choisis, fonction du programme du vol, couplés à des transferts thermiques solides calculés de façon continue. Tous les modes de transfert thermique (convection, conduction, rayonnement) sont pris en compte.

L’extrémité supérieure du disque est en contact avec l'aube de turbine et la veine, donc avec les gaz chauds en sortie de chambre de combustion. Elle subit des cycles de température au cours de cet exemple de vol, celui qui est prescrit dans le calcul et schématisé sur cette figure.
 

Transfert à l'industrie et poursuite des recherches à l'ONERA

En général, le couplage aérothermique n'est utilisé dans l'industrie que pour rechercher un état stationnaire fluide-solide. Mais un vol dure plusieurs heures et comprend différents stades qu'il faut absolument prendre en compte (décollage, croisière, changement d'altitude...). La solution que l'ONERA et ANDHEO ont proposé à Safran Aircraft Engines permet dès à présent d'analyser cette charge thermique tout au long d'un vol et de pouvoir s'attaquer dans les meilleures conditions à des problématiques de durée de vie.

"Pour l'avenir, nous allons poursuivre le développement de méthodologies toujours plus performantes en aérothermique. D'ailleurs, deux thèses débuteront à l'ONERA dès le mois d'octobre sur cette thématique, autour du couplage elsA*-Zset-Zebulon. Il est aussi déjà prévu que l'ONERA et ANDHEO contribuent au transfert des méthodes de couplage vers les outils Safran." conclut Marc Errera.

Notes

• * Cerfacs : Centre européen de recherche et de formation avancée en calcul scientifique
• * elsA : Ensemble logiciel de simulation aérodynamique, co-développé par l'ONERA, Airbus et Safran

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Quelques liens utiles

• ANDHEO http://www.andheo.fr
• OpenPalm http://www.cerfacs.fr/globc/PALM_WEB/
• Zset-Zebulon http://www.zset-software.com/products/zebulon/
• Schéma de moteur représentatif (la zone de calcul se trouve à l'aval du repère 11)