Simulation numérique de l'interaction soufflante/nacelle en présence de vent de travers

par Yannis Sadoudi

Thèse de doctorat en Dynamique des fluides

Under the supervision of Bertrand Aupoix et de Jean-François Boussuge.

Le président du jury était Nicolas Gourdain.

Le jury était composé de Philippe Chanez.

Les rapporteurs étaient Eric Goncalves, Bruno Koobus.


  • Résumé

    La conception des nacelles doit répondre à des contraintes géométriques d’encombrement mais aussi à des spécifications motoristes qui précisent les niveaux de performance exigés. Au sol, l’une des principales contraintes imposées par le motoriste concerne le niveau de distorsion de pression totale dans le plan fan quand la nacelle est soumise à un vent de travers. Dans le cas le plus limitant, c’est-à-dire lorsque la direction du vent est perpendiculaire à l’axe de la nacelle, il se produit un décollement au niveau de l’entrée d’air côté vent. L’hétérogénéité de l’écoulement crée des efforts instationnaires sur les aubes du fan. Ces efforts peuvent amener à un régime de pompage endommageant ainsi le moteur. De plus, la tendance actuelle est de réaliser des nacelles courtes, réduisant la distance qu’à l’écoulement pour s’homogénéiser avant d’impacter le fan, conduisant à un couplage entre le décollement et le fan. Le but de cette étude est de simuler numériquement l’écoulement intervenant dans une nacelle courte soumise à un vent de travers et d’étudier l’impact de la présence du fan. Tout d’abord, la définition de la distorsion est basée sur les grandeurs totales. Ainsi, la compréhension du comportement des grandeurs totales au voisinage d’une paroi et l’influence des paramètres numériques sur leur évolution est nécessaire. Une approche analytique et numérique sur plaque plane a permis d’évaluer le comportement des grandeurs totales à la frontière externe de la couche limite et l’influence des paramètres numériques RANS sur leur évolution. Cette étude a permis de choisir les paramètres numériques utilisés pour la simulation de la nacelle. Pour faire ressortir l’influence du fan sur la distorsion, deux types de simulations ont été menés : une simulation de nacelle isolée et une simulation de l’ensemble complet nacelle/fan respectivement comparées à un essai en soufflerie sur une maquette de nacelle isolée et à un essai de moteur complet à échelle 1 :1 réalisé en « soufflerie » à veine ouverte. La description correcte de la distorsion nécessite de prendre en compte les phénomènes de transition. Une méthode innovante de prise en compte de la transition par équations de transport est utilisée. Comme le coût de calcul de l’ensemble complet est prohibitif, la question du découplage du calcul en injectant une distorsion, issue d’une simulation de nacelle isolée, dans un calcul de fan isolé est discutée. La distorsion par vent de travers intervient lorsque l’avion est au sol. Par conséquent, l’impact de la présence du sol est étudié dans le cas de la nacelle isolée. Enfin, le critère de distorsion utilisé présente plusieurs défauts importants et peut être remis en cause. Une nouvelle méthode de mesure et de calcul estétudiée.

  • Titre traduit

    Numerical simulation of fan/nacelle interaction under crosswind conditions


  • Résumé

    Inlet design must fulfill geometrical constraints and engine requirements. One of these requirementsis the homogeneity of the flow impacting the fan which is quantified by the distortionlevels of stagnation pressure. When the airplane is on the ground and ready to take-off, crosswindconditions are critical for the distorsion level. The most critical case is when the wind directionis normal to the engine axis. Subsonic and supersonic separations occur near the inlet lip. Theso-created heterogeneity produces an unsteady stress on the fan blades which can lead to surge.Furthermore, short inlets are designed nowadays reducing the distance available for the flow tohomogenize before the fan leading to a coupling between the fan and the separated flow region.The aim of this study is to numerically predict the flow in a short inlet under crosswind conditionsand to investigate the fan influence on the distortion. First of all, the distortion definition isbased on stagnation quantities. Therefore, the stagnation quantities behavior and the numericalparameters influence must be investigated. The behavior of the stagnation quantities near theboundary layer edge is studied with analytical and numerical approaches. The numerical parameterschosen for the inlet simulation come from the so-obtained results obtained. In order tohighlight the fan influence on the distortion, two kinds of simulations were proceeded and comparedto experimental results : an isolated inlet simulation and a inlet/fan simulation. To correctlypredict the distortion, transition has to be be taken into account. Therefore an innovative solutionusing transport equations is used. As the computation cost for the inlet/fan computation isprohibitive, the decoupling which consists in injecting on a isolated fan the distortion obtainedduring a isolated inlet computation, is discussed. In fact, crosswind conditions occur when theairplane is on the ground, thus, the ground influence over the inlet distortion is studied for anisolated inlet. Finally, the distortion criterion used in this study has evidenced some strong defectsand can be questioned. Another approach of measurement with another criterion definitionis investigated.


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