Adaptive diffusive time-step in conjugate heat transfer interface conditions for thermal-barrier-coated applications

Autor: Salem, Rami, Errera, Marc, Marty, Julien
Přispěvatelé: DAAA, ONERA, Université Paris Saclay (COmUE) [Meudon], ONERA-Université Paris-Saclay, DAAA, ONERA, Université Paris-Saclay (COmUE) [Châtillon], ONERA-Université Paris Saclay (COmUE)
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2019
Předmět:
Zdroj: International Journal of Thermal Sciences
International Journal of Thermal Sciences, Elsevier, 2019, 145 (106048), pp.1-11. ⟨10.1016/j.ijthermalsci.2019.106048⟩
ISSN: 1290-0729
DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2019.106048⟩
Popis: International audience; High pressure turbines are subjected to high temperature flow exiting the combustion chamber. This paper presents a reliable method for a conjugate heat transfer (CHT) procedure using different interface treatments. Indeed, a coupled approach is used to properly capture the transient heat load variations at the interface and have a better estimation of the conduction within the solid. The numerical methods developed in this paper are derived from a 1D CHT model problem in which the thermal properties of each domain drive the numerical stability. Thus, from this model, two fundamental parameters are introduced: a “numerical” Biot number, Biν, and an optimal coefficient. Even if the optimal coefficient is theoretically unconditionally stable, the stability zone is drastically reduced when the Biot number increases. In this paper, a unified approach applicable to a wide range of Biot numbers is proposed for the case of multiple materials involved in a coupling process. In order to properly estimate the transient variation, an adaptive diffusive time-step has been developed based on physical thermal properties. This time-step is able to capture the transient effects inside the thermal boundary layer. Coupled results demonstrate a fast and steady converging behavior. Special attention is given to properly define the variable relaxation parameter used in this algorithm. The gain in using an adaptive optimal coefficient is discussed.; Les turbines haute pression sont soumises à un écoulement à température élevée sortant de la chambre de combustion. Cet article présente une méthode numérique fiable pour le couplage aérothermique, basée sur différents traitements d'interface. Une approche couplée est utilisée pour capturer correctement les variations transitoires de la charge thermique à l'interface fluide-solide et pour avoir une meilleure estimation de la conduction au sein du solide. Les méthodes numériques développées dans cet article sont issues d'un modèle de couplage 1D dans lequel les propriétés thermiques de chaque domaine sont prises en compte dans la stabilité du processus couplé. Ainsi, à partir de ce modèle, deux paramètres fondamentaux sont introduits: un nombre de Biot numérique et un coefficient optimal. Même si le coefficient optimal assure théoriquement une stabilité inconditionnelle, la zone de stabilité est en fait considérablement réduite lorsque le nombre de Biot augmente. Dans cet article, une approche unifiée applicable à une large gamme de nombres de Biot est proposée dans le cas de plusieurs matériaux impliqués dans un processus de couplage. De façon à estimer correctement la variation transitoire, un pas de temps diffusif adaptatif a été défini à partir des propriétés thermiques physiques. Ce pas de temps est capable de capturer les effets transitoires à l'intérieur de la couche limite thermique. Les résultats couplés montrent un comportement de convergence rapide et stable. Une attention particulière est accordée pour définir le paramètre de relaxation variable utilisé dans cet algorithme. Le gain obtenu en utilisant un coefficient optimal adaptatif est discuté.
Databáze: OpenAIRE
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