Detailed numerical characterization of the separation-induced transition, including bursting, in a low-pressure turbine environment

par Jayson Babajee

Thèse de doctorat en Mécanique, Energétique, Génie Civil et Acoustique

Sous la direction de Francis Leboeuf et de Tony Arts.

Soutenue le 08-11-2013

à l'Ecully, Ecole centrale de Lyon en cotutelle avec l'Institut von Karman de dynamique des fluides (Rhode-Saint-Genèse, Belgique) , dans le cadre de Ecole Doctorale Mecanique, Energetique, Genie Civil, Acoustique (MEGA) (Villeurbanne) , en partenariat avec Laboratoire de Mecanique des Fluides et d'Acoustique / LMFA (laboratoire) .

Le président du jury était Gérard Bois.

Le jury était composé de Isabelle Trebinjac, Pierre Ginibre.

Les rapporteurs étaient Remy Denos, Eva Dorignac.


  • Résumé

    La turbine basse-pression est un composant essentiel d'un turboréacteur car elle entraine la soufflante qui génère la plus grande partie de la poussée dans la configuration actuelle des turboréacteurs à double flux. Dans la perspective d'accroître son rendement en termes de consommation de carburant, il y a une recherche permanente dans la réduction du nombre d'aubage (c'est-à-dire la réduction de la masse) qui implique un chargement plus élevé par aube de rotor. Cet environnement est caractérisé par un écoulement dont le nombre de Reynolds est faible ainsi qu'une large diffusion le long de la partie aval de l'extrados. Par conséquent, l'écoulement le long de cette surface est potentiellement sujet à une séparation laminaire qui, suivant le statut de la bulle de recirculation, pourrait causer une diminution de la performance aérodynamique (sillages plus larges et plus profonds). La présente thèse de doctorat se concentre sur l'investigation du phénomène de la transition induite par séparation dans les écoulements de turbines basse-pression. L'accent est mis sur les prédictions numériques basées sur une approche CFD RANS utilisant le modèle innovant de transition γ-Reθt à deux équations de transport (la première équation pour l'intermittence numérique et la seconde équation pour le nombre de Reynolds dont la longueur caractéristique est l'épaisseur de quantité de mouvement au début de transition γ-Reθt). Neuf aubes différentes de rotor de turbine basse-pression constituent une base de données de référence et couvrent les plages de fonctionnement de différents nombres de Reynolds de sortie isentropique, de nombres de Mach de sortie isentropique, d'intensités de turbulence d'entrée, avec ou sans sillage provenant d'une rangée d'aubes amont et avec deux configurations de rugosité locale. Une première analyse de cette base de données met en évidence l'effet de la séparation sur le début de la transition et sur les performances. La définition d'une corrélation a été tentée et permet de lier le taux de diffusion d'un aubage au nombre de Reynolds de sortie isentropique à la condition de « Bursting ». Une méthodologie numérique fiable et robuste a été établie afin de prédire la transition dans le cas d'un écoulement amont uniforme. Les résultats sont en bon accord avec les mesures expérimentales même si il a été nécessaire d'adapter les conditions limites dans le but de prédire une séparation laminaire numériquement pour des aubages fortement chargés et fia fort taux de diffusion uniquement. La résolution des profils de vitesse de la couche limite permet d'obtenir une évaluation détaillée des paramètres de la topologie de l'écoulement. Cela fournit une information sur l'épaisseur de quantité de mouvement qui est le paramètre principal définissant les corrélations de transition. La technique « Chimère » des maillages recouvrants est utilisée pour faciliter la modélisation des moyens de contrôle passif pour déclencher la transition. C'est une technique appropriée pour l'implémentation de géométries simples ou plus élaborées.


  • Résumé

    The Low-Pressure Turbine is a critical component of an Aero-Engine as it drives the Fan which produces most of the thrust in the current turbofan configuration. In order to increase the eficiency in terms of fuel consumption, there is a continuous research for blade count reduction (i.e. mass reduction) which entails a higher loading per rotor blade. It is well-known that this environment is characterised by a low Reynolds number low condition associated with high diffusion along the aft region of the suction side. Consequently, the flow along this surface is prone to laminar separation which, depending on the status of the separation bubble, would lead to detrimental decrease in the aerodynamic performance (larger and deeper wake). The present PhD thesis focuses on the investigation of the separation-induced transition phenomenon occurring in a Low-Pressure Turbine environment. The emphasis is put on the numerical predictions based on a CFD RANS approach using the innovative γ-Reθt transition model based on transport equations for the numerical intermittency (γ) and the transition onset momentum thickness Reynolds number (γ-Reθt). Nine Low-Pressure Turbine rotor blades form a comprehensive experimental reference database and cover a significant range of different isentropic outlet Reynolds numbers, isentropic outlet Mach numbers, inlet turbulence intensity levels, with or without incoming wakes and with two local roughness configurations. A first analysis of this database stresses the effect of the separation on the transition onset and on the performance. A correlation definition is attempted and allows to link the diffusion rate of a blade to the isentropic outlet Reynolds number at bursting. A reliable and robust numerical methodology is established to predict the transition in the case of uniform upstream flow. The results are in good agreement with the experiments even though it was necessary to adapt the boundary conditions to predict the laminar separation numerically for highly-loaded and strong diffusion rate blades only. The resolution of the boundary layer velocity profiles allows to have an in-depth examination of the flow topology parameters. This gives proper information on the momentum thickness which is the main driving parameter of transition correlations. The Chimera technique for overlapping meshes is used to ease the modelling of passive control devices to trigger transition. It is a decent technique to implement standard geometries or more elaborate designs.


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  • Détails : 1 vol. (xxix-218 p.)

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