Correlations for flows within rotating holes.

This work was carried out during an internship at the Safran Aircraft Engines (SAE) site in Villaroche (Île-de-France, France). In the design phases of the propulsion system, low-fidelity tools based on correlations are often used to meet the needs of design offices on various issues (permeability, exchange coefficients). This study focuses on correlations for the calculation of the permeability of a circular cross-section axial rotating hole. The ultimate goal is to be able to evaluate the performances of the correlations currently used at SAE, their range of validity and the associated uncertainty, and to improve their fidelity through a better understanding of the physics involved. In order to meet those needs, a tool based on 3D-RANS simulations was developed and validated against literature results. Thanks to this tool, the permeability of a rotating hole can be estimated with a maximal error of approximately 10%. This tool is designed on the basis of a parametric geometry, allowing the creation of CFD design of experiments (DOE) whose observables can be compared with the results of the SAE correlations. A DOE for the evaluation of the interaction between wakes in a non-rotating multi-hole orifice configuration has been carried out. The interest behind this study being to explore the impact of the spacing between holes (effect never described in the consulted literature). This phenomenon has proved to have an overall negligible impact on the permeability of the orifice. A second DOE has also been defined. Its results will allow to evaluate the accuracy and validity range of the SAE correlations. This tool can be used as a powerful way to develop new parametric analysis and, if needed, new mathematical models to describe the permeability of circular cross-section rotating holes.

Questo lavoro è stato realizzato durante uno stage presso lo stabilimento di Villaroche (le-de-France, Francia) di Safran Aircraft Engines (SAE). Nelle fasi di progettazione del sistema propulsivo, strumenti a bassa fedeltà basati su correlazioni sono spesso utilizzati per soddisfare le esigenze degli uffici di progettazione su varie questioni (permeabilità, coefficienti di scambio). Il presente studio è incentrato sulle correlazioni per il calcolo della permeabilità di un foro rotante assiale a sezione circolare. L'obiettivo finale è quello di essere capaci di valutare le prestazioni delle correlazioni attualmente utilizzate a SAE, il loro campo di validità, l'incertezza associata, e di migliorare la loro fedeltà attraverso una migliore comprensione della fisica coinvolta. Per soddisfare queste esigenze, è stato sviluppato uno strumento basato su simulazioni CFD di tipo 3D-RANS. L'accuratezza di tale strumento è stata valutata confrontandone i risultati coi dati disponibili in letteratura. Grazie ad esso, la permeabilità di un foro rotante può essere stimata con un errore massimo di circa il 10%. Questo strumento è progettato sulla base di una geometria parametrica, che permette la generazione di piani d'esperienza (DOE) CFD i cui osservabili possono essere confrontati con i risultati delle correlazioni SAE. Un primo piano d'esperienza è stato realizzato allo scopo di valutare l'effetto dell'interazione tra le scie in una configurazione di orifizio multi-foro non-rotante. L'interesse dietro questo studio era di esplorare l'impatto del distanziamento tra i fori sulla permeabilità di un orifizio (effetto non descritto nella letteratura consultata). É stato possibile dimostrare come questo fenomeno sia generalmente trascurabile. Inoltre, un secondo DOE è stato definito. I suoi risultati permetteranno la valutazione della precisione e del range di validità delle correlazioni SAE. Lo strumento CFD sviluppato durante lo stage, è un metodo potente per realizzare nuove analisi parametriche e definire, al bisogno, nuovi modelli matematici per descrivere la permeabilità dei fori rotanti a sezione circolare.