Computation of a thermal boundary layer including strong viscous-inviscid flow interaction

(Received 11 April 1991, revised 24 September 1991, accepted 9 January 1992)

Abstract
The high temperature level reached at the exit of combustion chambers of modern aircraft engines and the practical limitations of advanced materials, demand efficient cooling of turbine blades. Optimization of the cooling requires an accurate prediction of aerodynamic losses and heat transfer on turbine blades. A new two-dimensional compressible, aerothermal boundary layer code has been developed. The formulation includes strong viscous-inviscid interaction, which enhances the stability properties of the code. The boundary layer equations associated with the energy equation are solved with an implicit Keller-box scheme. Viscous-inviscid flow coupling is performed by adding an interaction which has an elliptic character. The complete system of equations is solved by a multi-pass procedure. This technique contributes to the stabilization of the method and allows the computation of regions with strong adverse pressure gradients, separation bubbles and injections in case of film cooling. Comparisons between experimental and theoretical results are provided. Flow characteristics including heat transfer were computed for several cases such as flat plates with strong pressure gradients, and turbine blade boundary layers. Good agreement between computation and experiment is observed, demonstrating the high accuracy and robustness of the code.

Résumé
Les niveaux élevés de température atteints à la sortie des chambres de combustion des moteurs d'avions modernes, et les limitations pratiques des matériaux nouveaux, imposent un refroidissement efficace des aubages de turbines. L'optimisation du refroidissement nécessite une prédiction correcte des pertes aérodynamiques et des transferts de chaleur sur les aubages de turbines. Un nouveau code de calcul de couche limite compressible aérothermique a été développé. La formulation comprend une procédure d'interaction forte entre les écoulements visqueux et non visqueux, qui accroît les propriétés de stabilité du code. Les équations de couche limite, associées à l'équation d'énergie, sont résolues selon le schéma implicite de Keller. Le couplage des écoulements visqueux-non visqueux est mis en oeuvre en joignant une équation d'interaction de nature elliptique. Le système complet d'équations est résolu par une procédure de balayages amont-aval. Cette technique contribue à stabiliser la méthode et permet le calcul de régions avec de forts gradients de pression adverse, des poches de décollement et des injections dans le cas de refroidissement par film. Des comparaisons entre les résultats expérimentaux et théoriques sont présentées. Des écoulements avec transfert de chaleur sont calculés pour plusieurs cas tels que des plaques planes avec de forts gradients de pression et des couches limites sur des aubages de turbines. Un accord satisfaisant enter le calcul et l'expérience est observé, montrant la précision et la robustesse du code de calcul.