Exergy Balance Extension to Rotating Reference Frames : Application to a Propeller Configuration [Extension du bilan d’exergie aux repères tournants : application à une configuration d’hélice] Article - Janvier 2023

Ilyès Berhouni, Didier Bailly, Ilias Petropoulos

Ilyès Berhouni, Didier Bailly, Ilias Petropoulos, « Exergy Balance Extension to Rotating Reference Frames : Application to a Propeller Configuration [Extension du bilan d’exergie aux repères tournants : application à une configuration d’hélice]  », AIAA Journal, janvier 2023. ISSN 0001-1452

The exergy analysis has already proved to be of interest for aerospace applications, with the possibility to analyze new types of configurations. It is of particular interest when a pertinent thrust/drag breakdown is not possible and when significant thermal exchanges take place in the control volume. In addition, this method allows to link the different contributions of the exergy terms to physical phenomena in the flow, improving the understanding of the sources of losses degrading the performance of the system under study. The applications and results obtained in a fixed frame of reference have thus motivated the improvement and extension of the exergy balance to more complex flows. This paper aims at presenting an extension of the exergy balance to rotating frames of reference for the analysis of rotating components of the propulsion system (e.g. propeller, turbomachine or helicopter rotor blades). The newly developed theoretical development is summarized, and an application to a numerical simulation of a propeller is presented. Results are discussed in terms of both physical interpretation and numerical accuracy.

L’analyse exergétique s’est déjà révélée intéressante pour les applications aérospatiales, avec la possibilité d’analyser numériquement de nouveaux types de configurations. Elle est particulièrement intéressante lorsqu’une décomposition pertinente poussée/traînée n’est pas possible et lorsque des échanges thermiques importants ont lieu dans le volume de contrôle. Elle permet également de relier les différentes contributions des termes du bilan d’exergie aux phénomènes physiques dans l’écoulement, améliorant ainsi la compréhension des sources de pertes dégradant les performances du système étudié. Les applications et les résultats obtenus dans un référentiel fixe ont ainsi motivé l’amélioration et l’extension du bilan d’exergie à des écoulements plus complexes. Cet article a pour but de présenter une extension du bilan exergétique à des repères tournants pour l’analyse détaillée des composants en rotation du système de propulsion (par exemple une hélice, une turbomachine ou un rotor d’hélicoptère). Le nouveau développement théorique est résumé, et une application à une simulation numérique d’une hélice est présentée. Les résultats sont discutés en termes d’interprétation physique et de précision numérique.

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