Simulation numérique de l'écoulement en régime de pompage dans un compresseur axial multi-étage PDF Download
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Author: Flore Crevel
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 266
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Book Description
Dans le contexte économique et environnemental actuel, la prochaine génération de moteurs d’avion devra offrir opérabilité, compacité et hauts rendements. Les compresseurs demeurent une des pièces critiques de ces moteurs, et leur conception un challenge. À débit réduit, leur plage de fonctionnement est contrainte par la limite de pompage, phénomène hautement instable et dangereux. À ce jour, peu d’études expérimentales sur un compresseur en situation de pompage ont été réalisées, étant donné le danger inhérent pour les installations. Dans ce cadre, la simulation numérique peut apporter des informations sur le développement des instabilités aérodynamiques et aider à la prévision de la limite de pompage. L’objectif du travail présenté dans cette thèse est de mettre en place une méthode afin de simuler numériquement l’entrée en pompage et un cycle complet de l’instabilité avec le code elsA. Le cas test retenu est le compresseur de recherche axial multi-étage CREATE dessiné par Snecma, et étudié expérimentalement par le LMFA. Des études antérieures ont montré le rôle joué par les volumes entourant le compresseur ; l’originalité de cette étude réside donc dans l’inclusion des volumes du banc d’essai dans la simulation du compresseur. Une des difficultés inhérentes à la simulation de ces instabilités est leur temps caractéristique, qui représente plus d’une centaine de rotations de la machine. Le calcul a donc nécessité le recours à une approche massivement parallèle ; environ un million d’heures CPU ont été utilisées pour décrire le cycle. Enfin, compte tenu du retournement de l’écoulement dans le compresseur, les conditions aux limites ont été modifiées pour pouvoir s’adapter aux changements de sens de l’écoulement. La simulation a permis de décrire l’entrée en pompage et un cycle complet de l’instabilité. La comparaison avec les données expérimentales montre que les caractéristiques du cycle sont correctement prédites (phénomènes physiques précurseurs de l’instabilité, durée du cycle..). En parallèle, une étude acoustique a été menée afin de mettre en évidence les modes propres du banc d’essai. L’analyse de ces résultats a notamment montré le rôle de l’acoustique dans le déclenchement du pompage. Les différentes phases du cycle de pompage sont ensuite étudiées, et caractérisées (déclenchement, débit inversé, récupération et recompression). Ce travail a généré une base de données qui permet de mieux comprendre les instabilités qui se développent dans ce type de machine. À terme, ces résultats pourront être utilisés pour élaborer et valider des modélisations du phénomène de pompage moins coûteuses, pouvant intervenir dans un cycle de conception.
Author: Flore Crevel
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Languages : fr
Pages : 266
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Dans le contexte économique et environnemental actuel, la prochaine génération de moteurs d’avion devra offrir opérabilité, compacité et hauts rendements. Les compresseurs demeurent une des pièces critiques de ces moteurs, et leur conception un challenge. À débit réduit, leur plage de fonctionnement est contrainte par la limite de pompage, phénomène hautement instable et dangereux. À ce jour, peu d’études expérimentales sur un compresseur en situation de pompage ont été réalisées, étant donné le danger inhérent pour les installations. Dans ce cadre, la simulation numérique peut apporter des informations sur le développement des instabilités aérodynamiques et aider à la prévision de la limite de pompage. L’objectif du travail présenté dans cette thèse est de mettre en place une méthode afin de simuler numériquement l’entrée en pompage et un cycle complet de l’instabilité avec le code elsA. Le cas test retenu est le compresseur de recherche axial multi-étage CREATE dessiné par Snecma, et étudié expérimentalement par le LMFA. Des études antérieures ont montré le rôle joué par les volumes entourant le compresseur ; l’originalité de cette étude réside donc dans l’inclusion des volumes du banc d’essai dans la simulation du compresseur. Une des difficultés inhérentes à la simulation de ces instabilités est leur temps caractéristique, qui représente plus d’une centaine de rotations de la machine. Le calcul a donc nécessité le recours à une approche massivement parallèle ; environ un million d’heures CPU ont été utilisées pour décrire le cycle. Enfin, compte tenu du retournement de l’écoulement dans le compresseur, les conditions aux limites ont été modifiées pour pouvoir s’adapter aux changements de sens de l’écoulement. La simulation a permis de décrire l’entrée en pompage et un cycle complet de l’instabilité. La comparaison avec les données expérimentales montre que les caractéristiques du cycle sont correctement prédites (phénomènes physiques précurseurs de l’instabilité, durée du cycle..). En parallèle, une étude acoustique a été menée afin de mettre en évidence les modes propres du banc d’essai. L’analyse de ces résultats a notamment montré le rôle de l’acoustique dans le déclenchement du pompage. Les différentes phases du cycle de pompage sont ensuite étudiées, et caractérisées (déclenchement, débit inversé, récupération et recompression). Ce travail a généré une base de données qui permet de mieux comprendre les instabilités qui se développent dans ce type de machine. À terme, ces résultats pourront être utilisés pour élaborer et valider des modélisations du phénomène de pompage moins coûteuses, pouvant intervenir dans un cycle de conception.
Author: Nicolas Gourdain
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Languages : fr
Pages : 219
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Book Description
Une meilleure compréhension des écoulements instables qui interviennent dans les compresseurs à débits partiels permet de réduire la marge au pompage et le poids du système. Cette étude s'intéresse à la première instabilité généralement rencontrée dans les compresseurs, à proximité du taux de pression maximum, appelé décollement tournant. Ce phénomène est caractérisé par la présence d'une ou plusieurs cellules d'écoulement décollé qui tournent à une fraction de la vitesse du rotor. L'objectif de l'étude est de comprendre les mécanismes mis en jeu dans un étage de compresseur axial grâce à une approche numérique. L'étage complet est modélisé avec une approche 2.5D, puis avec une approche 3D intégrant les effets technologiques (écoulement de jeu). La simulation numérique montre qu'au moins deux mécanismes sont mis en jeu dans l'apparition de l'instabilité. Le premier concerne l'interaction locale entre l'écoulement moyen et l'écoulement de jeu, tandis que le second implique le développement d'une onde modale qui affecte tout le système. La limite de stabilité et les performances en régime instable du compresseur sont bien estimées par les calculs. Les signaux instationnaires issus de la simulation sont analysés grâce à une méthode spectrale temps-fréquence et la structure de l'écoulement en régime de décollement tournant est expliquée. Un nouveau modèle est également proposé afin de prédire les caractéristiques des modes spatiaux et temporels résultant de l'interaction des cellules de décollement tournant avec le compresseur.
Author: Monica Veglio
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Languages : fr
Pages : 0
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La réduction de l'impact environnemental est aujourd'hui l'un des défis cruciaux de l'industrie aéronautique. La poursuite d'une moindre consommation des aéronefs a conduit à concevoir des systèmes propulsifs en géneral, et des étages de compression en particulier, toujours plus compacts et chargés. Cette tendance dans la conception des moteurs est directement responsable de l'accentuation du caractère instationnaire des écoulements internes ainsi que de la favorisation dans l'émergence de phénomènes entrainant la perte de stabilité. L'étude expérimentale, conduite pendant ce projet de thèse, porte sur la caractérisation des écoulements dans un étage de compresseur axial en phase émergente et stabilisée du décrochage tournant, grâce à des mesures instationnaires de pression pariétale et de vitesse. L'étude doit son originalité à l'utilisation et au développement de techniques de post-traitement non-standard. La transformée par ondelettes se révèle être un outil particulièrement intéressant à la détection de structures cohérentes de brève durée, telles que le précurseur de type « spike » ainsi que les caractéristiques instantanées d'une cellule de décrochage tournant. A côté de cette approche d'analyse d'un signal localisé, différentes procédures de calcul de champs en moyenne de phase ont été mises au point, chacune adaptée aux spécificités du phénomène étudié et de la procédure expérimentale suivie. Il a été ainsi possible de suivre l'évolution des caractéristiques du champ de pression du régime nominal jusqu'à l'installation du décrochage tournant. L'alignement de la trajectoire du tourbillon de jeu avec la section d'entrée du rotor est associé au déclenchement du décrochage par précurseur de type « spike ». La comparaison entre les champs en phase transitoire et en décrochage établi, amène à affirmer que le précurseur n'est que le stade embryonnaire d'évolution du phénomène du décrochage. L'approche a, en outre, permis d'apprécier la complexité de la structure « interne » de la cellule qui apparait comme la succession d'une phase de propagation de décollement, une zone fortement débitante à charge presque nulle et une phase de ré-attachement de l'écoulement.
Author: Florence de Crécy
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Languages : fr
Pages : 199
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Ce travail a été réalisé dans le cadre d’une convention Cifre entre Snecma et le LMFA. L’objectif de ce travail est de développer une méthodologie permettant un calcul Navier Stokes 3D instationnaire du champ aérodynamique dans le compresseur au cours du pompage profond, tout en ayant un temps raisonnable de restitution des résultats. A l’aide de ce champ 3D, une réponse vibratoire des aubes pendant le cycle de pompage pourra être calculée. Le pompage est une instabilité aérodynamique qui s’initie dans le compresseur mais qui est influencé, à travers les pertes induites, par tout le système dans lequel le compresseur est intégré. La méthodologie développée pendant cette thèse permet de modéliser l’intégralité du système (banc d’essai ou moteur). Pour cela, l’écoulement dans le compresseur est calculé en 3D alors que le reste du système est calculé en 1D. Un couplage 1D/3D a donc été mis en place, puis testé sur un cas test académique. La méthode de couplage est ensuite appliquée au calcul du pompage d’un compresseur axial. Le cas d’application turbomachine choisi se base sur le banc d’essai CREATE installé au LMFA et contenant un compresseur haute vitesse de 3.5 étages. Dans un premier temps, la méthode est appliquée sur le dernier étage de CREATE seul. Le pompage profond obtenu sur ce compresseur mono-étage fait l’objet d’une analyse globale puis locale. Il ressort de cette analyse que le cycle de pompage est guidé par la dynamique du volume situé à l’aval du compresseur. Le volume de tranquilisation à l’amont du compresseur induit sur le compresseur une oscillation de pression et de débit à une fréquence environ dix fois plus élevée que la fréquence propre du pompage. L’analyse locale montre que le pompage se déclenche par une progression de l’écoulement de jeu vers les bords d’attaque du rotor. A l’aide du champ de pression statique sur les aubages pendant le pompage, un calcul de structure est mené sur le rotor et le stator. Une réponse vibratoire visible est obtenue après la chute de débit seulement si la fréquence propre du premier mode de vibration est suffisamment basse. Dans une seconde étape, la méthode de couplage est appliquée au pompage des 3.5 étages du compresseur CREATE et son banc d’essai. Le cycle obtenu est comparé aux résultats expérimentaux et à un autre calcul de pompage qui modélise l’intégralité du banc d’essai par les équations de Navier-Stokes 3D. La physique du cycle obtenu est cohérente avec les résultats expérimentaux et numériques pour les phases d’entrée en pompage, d’inversion et de rétablissement du débit. La dernière phase de repressurisation du système est beaucoup plus courte, ce qui en tenant compte des conclusions tirées de la première étape, indique que les cycles comparés correspondent probablement à des positions (angle de fermeture) de vanne aval différentes.
Author: Nicolas Bulot
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Languages : fr
Pages : 4
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Book Description
Le présent travail s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre le Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique à l'École Centrale de Lyon (LMFA-ECL), Turbomeca et l'ONERA. Le sujet de recherche porte sur l'interaction rouet-diffuseur et sur l'entrée en régime de pompage d'un étage de compresseur centrifuge transsonique à fort taux de compression étudié à vitesse de rotation de croisière (0,927Nn). L'alimentation des analyses est réalisée par trois méthodes de mesures et deux types de simulations numériques. Le module d'essai est installé sur le banc d'essai 1 MW du LMFA. La caractérisation expérimentale du compresseur TM est réalisée par le biais de mesures de pression et température auxquelles sont adjointes des mesures du débit et de la vitesse de rotation de la roue mobile. La description de l'écoulement interne au compresseur s'appuie sur les résultats de sondages par Anémométrie Laser à effet Doppler (LDA) et de mesures de pression à haute fréquence. Les simulations numériques sont réalisées par l'intermédiaire du code de calcul elsA développé par l'ONERA, qui permet de résoudre le système d'équations de Navier-Stokes couplé à un modèle de turbulence k-l de Smith. Deux modélisations de l'interaction rouet-diffuseur permettent de générer des champs aérodynamiques stationnaires (modèle plan de mélange) et instationnaires (modèle chorochronique). La comparaison entre les données expérimentales et numériques est très satisfaisante et permet alors de profiter pleinement de la richesse des informations numériques. L'examen détaillé de l'écoulement interne au rouet pour trois points de fonctionnement (à débit bloqué, à rendement maximum et à proximité du pompage) révèle que, du blocage vers le pompage, l'évolution de l'intensité et de la taille du tourbillon de jeu est le point de départ d'un enchaînement de mécanismes conduisant à la dilatation du sillage de la structure jet-sillage. Pour l'écoulement en amont du diffuseur, ceci ce traduit en moyenne temporelle par une augmentation de l'incidence principalement au voisinage du moyeu. L'onde de choc en amont des aubes du diffuseur remonte à mesure que le débit du compresseur diminue. La trajectoire de l'écoulement principal bascule du côté de la face en dépression vers le côté de la face en pression du canal inter-aubes du diffuseur. La cartographie des nombreux décollements de couches limites est également modifiée à l'approche du pompage. Les structures instationnaires majeures sont produites par l'interaction de l'onde de choc en amont des aubes du diffuseur avec les pales du rouet. Des ondes de pression progressives et des poches à faible nombre de Mach sont ainsi générées. Les ondes pression impriment d'intenses fluctuations au champ de vitesse qui favorisent le processus de mélange. En conséquence, les couches limites sont plus robustes vis-àvis des décollements (en moyenne temporelle). Le défilement instationnaire des poches à faible nombre de Mach engendre une dissymétrie marquée des conditions d'alimentation du diffuseur dans le direction azimutale. Au cours du changement de point de fonctionnement en allant du débit bloqué vers le pompage, les ondes de pression se renforcent et la taille des poches à faible nombre de Mach diminue. De ce fait, les conditions sont plutôt favorables à retarder l'entrée en pompage du compresseur qui est localement initié en amont du diffuseur aubé. Le pompage du compresseur est provoqué par un changement rapide de la structure supersonique de l'écoulement en entrée de diffuseur qui est alors déstabilisée par les fluctuations de pression des ondes progressives.
Author: Salah Eddine Fakher El Abiari
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Languages : fr
Pages : 277
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Book Description
Etude de l'écoulement compressible instationnaire dans un compresseur axial. On utilise un modèle de disque inertiel. Etude du décrochage tournant, du pompage et des distorsions.
Author: Sami Blidi
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Languages : fr
Pages : 220
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Book Description
L'amélioration des performances des compresseurs axiaux exige une connaissance plus approfondie du fonctionnement des aubages dans tout le domaine d'opération. Les études de modélisation de l'écoulement dans ces régimes doivent pouvoir s'appuyer sur des résultats expérimentaux permettant une meilleure compréhension des phénomènes aérodynamiques et convenant à la validation des codes numériques. Le mémoire comporte 5 chapitres: 1/ description du banc d'essais du compresseur axial cme1 du l.e.m.f.i., mis au point dans le cadre de ce travail (mécanique, instrumentation, informatique). 2/ description des caractéristiques des sondes de pression clinométriques donnant les 3 composantes de la vitesse et des problèmes de leur utilisation dans le compresseur. 3/ anémomètrie à fils chauds: - étude des différents types d'anémomètres et de leur fonctionnement. - étude bibliographique des modèles d'échange de chaleur en anémomètrie à fils chauds. - formulation du flux de chaleur adoptée pour les mesures prévues dans le compresseur. - mise au point d'un dispositif original utilisant un anémomètre standard permettant la détermination simultanée de la vitesse et de la température de l'écoulement. 4/ présentation du banc, conçu pour l'étalonnage des sondes clinomètriques de pression et à fils chauds, et des procédures d'étalonnage spécifiques à chaque type de sondes. 5/ exploration détaillée du 1er étage du compresseur en utilisant les sondes clinomètriques de pression et à films chauds. analyse des résultats
Author: Ye Wang
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Languages : fr
Pages : 0
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Book Description
La thèse est consacrée à la modélisation et à l'analyse par voie numérique de l'écoulement dans une pompe à vide turbomoléculaire hybride, combinant une succession d'étages de type rotor et stator et un Holweck. Une approche de type Test Particle Monte Carlo 3D a été développée pour des configurations de pompes industrielles (géométries complexes d'aubes, gestion des étages rotor et stator) dans un souci d'optimisation des coûts de simulation. L'outil numérique développé a été validé pour des configurations académiques et industrielles, en s'appuyant notamment sur des résultats expérimentaux obtenus grâce au banc d'essai de l'entreprise aVP. L'apport de l'approche TPMC3D par rapport aux méthodes de design disponibles en début de thèse a été clairement démontré pour le régime moléculaire libre. Quelques préconisations de design ont également pu être formulées en utilisant le code développé. Le potentiel d'une approche de type Direct Simulation Monte Carlo, prenant en compte les interactions entre molécules du gaz, a également été établi en 2D pour le régime de transition.
Author: Gabriel Margalida
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Languages : fr
Pages : 0
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Book Description
Durant la dernière décennie, le secteur aéronautique n'a cessé de croître et le nombre de passagers transportés a considérablement augmenté. En parallèle, des politiques de plus en plus restrictives ont été mises en place afin de diminuer notre impact environnemental notamment en réduisant les émissions de CO2. Dans cette optique, les motoristes cherchent à concevoir des moteurs plus efficaces, conduisant à l'utilisation de points de fonctionnement plus proches des limites d'opération et a un chargement des étages de compression plus important. Cependant, ces zones étant sensibles au déclenchement du décrochage tournant, les constructeurs cherchent à les éviter en fixant des marges de sécurités importantes. Deux problèmes majeurs doivent donc être traités : étendre la plage de fonctionnement du compresseur en éloignant sa limite de stabilité et être en mesure de connaître avec précision la position du point de fonctionnement de ce dernier afin de diminuer la marge de sécurité.Par ailleurs, même si le phénomène de décrochage tournant est aujourd'hui globalement bien compris, des études récentes ont mis en évidence de nouveaux processus de formation. Ainsi, afin de traiter au mieux les deux principaux enjeux liés au décrochage tournant, il est nécessaire d'approfondir les connaissances relatives à la physique de la formation du phénomène. Cette thèse s'inscrit dans cette démarche, en proposant une étude de la formation du décrochage tournant d'une part, ainsi que le développement et l'étude d'un système de détection et de contrôle actif de l'écoulement par jets continus ou pulsés, dont le rôle est de prévenir l'approche des zones à risque et d'étendre la plage de fonctionnement du compresseur.
Author: Fabrice CANO
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Languages : fr
Pages : 254
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