Fluid Mechanics and Acoustics Laboratory - UMR 5509

LMFA - UMR 5509
Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique
Lyon
France


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Soutenance de thèse ECL

Christophe Montsarrat

Vendredi 9 avril 2021, 14h00, visioconférence

Christophe Montsarrat

Modélisation des écoulements de jeu en compresseurs axiaux

Composition du jury

- Marcello MANNA, Professeur, Université de Naples Federico II, Italie (Rapporteur)
- Nicolas BINDER, Professeur, Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace (ISAE) - SUPAERO (Rapporteur)
- Vincent BRION, Docteur, Ingénieur de recherche, ONERA (Examinateur)
- Isabelle TRÉBINJAC, Professeure émérite, LMFA, École Centrale de Lyon (Examinatrice)
- Jérôme BOUDET, Maître de conférences HDR, LMFA, École Centrale de Lyon (Directeur de thèse)
- Julien MARTY, Docteur, Ingénieur de recherche, ONERA (Co-directeur de thèse)
- Eric LIPPINOIS, Ingénieur, Safran Aircraft Engines (Invité)

Lien pour la visioconférence.

Code secret : 831189

La présente étude vise à étudier les écoulements de jeu en tête d’aube sur les rotors de compresseurs axiaux. Elle se concentre en particulier sur trois caractéristiques du tourbillon de jeu : la position du détachement du tourbillon sur l’extrados de la pale, sa trajectoire dans le canal inter-aubes et sa circulation, qui permet de quantifier son intensité. Leur prédiction est analysée à l’aide de deux niveaux de résolution numérique.

La première approche utilise une méthode haute-fidélité. La ZDES (Zonal Detached Eddy Simulation) est utilisée sur un rotor de compresseur haute-vitesse, sur lequel une campagne de mesures expérimentales a été menée. Les résultats moyennés en temps sont comparés avec une approche RANS stationnaire (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) et avec les données expérimentales. Malgré son coût de calcul important, l’approche ZDES est généralement mieux adaptée que le RANS pour traiter des écoulements secondaires comme les écoulements de jeu. Les résultats obtenus confirment le bénéfice d’utiliser la ZDES, qui prédit un tourbillon de jeu moins diffus qu’avec le RANS, et qui donne des résultats plus proches des mesures expérimentales. Une étude paramétrique est ensuite menée sur la taille de jeu avec la ZDES. Trois tailles de jeux sont testées. L’analyse moyennée en temps confirme les résultats de la littérature sur la position du point de détachement. Elle indique aussi que la trajectoire moyenne du tourbillon de jeu peut être prédite par un modèle à partir de la charge à mi-envergure. Enfin, l’augmentation de la circulation avec la taille de jeu est observée, avec un tourbillon dont le coeur est plus large et des niveaux de vorticité axiale plus importants. L’analyse instationnaire se concentre sur l’apparition d’un éclatement tourbillonnaire dans le passage, uniquement observé pour le plus grand jeu. L’analyse fréquentielle sur la vitesse axiale dans le coeur du tourbillon permet d’identifier des fluctuations basse fréquence qui pourraient correspondre à une oscillation du tourbillon de jeu.

La seconde approche s’intéresse aux capacités d’une méthode potentielle, méthode basse fidélité, appliquée aux écoulements de jeu. La méthode des panneaux tourbillonnaires (VLM) utilise une distribution de singularités tourbillonnaires pour reproduire l’objet aérodynamique, dont la présence induit une perturbation du champ de vitesses. Cette approche, peu coûteuse en calcul, est destinée aux étapes de pré-dimensionnement quand une grande variété de géométries doit être évaluée. Après une validation sur des cas classiques d’aérodynamique externe, la méthode est testée sur une configuration expérimentale s’intéressant aux écoulements de jeu. Cette configuration comprend une aube fixe en porte-à-faux avec une paroi fixe, dont la distance entre les deux (le jeu) peut être modifiée. Un nouveau modèle de prédiction de la circulation du tourbillon de jeu est construit et renseigné à partir des résultats apportés par la VLM. En considérant le mélange de paires de tourbillons contra-rotatifs, suivant un modèle analytique visqueux, l’augmentation de la circulation avec le jeu obtenue expérimentalement est bien reproduite sur une large gamme de jeux testés. Toutefois, des développements restent à faire afin de pouvoir appliquer la méthode potentielle et le modèle de diffusion à un rotor de compresseur.

Mots-clés : Compresseur axial, Écoulements de jeu, Tourbillon de jeu, Vorticité, Circulation, Zonal-Detached Eddy Simulation (ZDES), Méthode des panneaux, Vortex Lattice Method (VLM), Modélisation

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Code secret : 831189

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