Etude de l'écoulement dans une turbomachine axiale transsonique en présence ou non d'une distorsion amont : Validation d'un outil de simulation et analyse instationnaire

Study of a transonic turbomachinery flow with or without upstream distorsion. Validation of simulation tool and unsteady analysis

• Auteur / Autrice : Ludovic Kozuch
• Direction : Pascal Ferrand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbomachines

Simulation par ordinateur

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Distorsion d'entrée d'air

Périodicité spatio-temporelle

Résumé

L'objectif de ce travail est l'étude numérique de l'effet d'une distorsion de l'écoulement amont sur l'écoulement transsonique dans une turbomachine axiale. Cette étude a été réalisée avec le solveur NSMB, qui a nécessité certaines adaptations pour les écoulements dans les turbomachines. Le principal développement concerne l'introduction d'une hypothèse de périodicité spatio-temporelle permettant, pour des calculs instationnaires, de restreindre le domaine de calcul à un unique canal interaube de la machine. L'écoulement stationnaire a été en premier lieu analysé, à l'aide de simulations bidimensionnelles non visqueuses, bidimensionnelles visqueuses et tridimensionnelles visqueuses. Puis le cas instationnaire de l'écoulement en présence de la distorsion, imposée par le biais de la condition aux limites d'entrée sous la forme d'un déficit de pression totale, a été étudié. Pour cette étude, le cas retenu est un cas bidimensionnel et non visqueux. Une méthodologie d'analyse a été mise en place pour l'analyse du calcul instationnaire. Il se dégage de cette analyse que la distorsion ne modifie pas le point de fonctionnement auquel opère la machine, mais qu'elle provoque une fluctuation non négligeable de la structure d'ondes de choc. De plus, grâce à une double décomposition de l'écoulement instationnaire en série de Fourier (selon la variable circonférentielle et le temps), cette analyse a permis notamment d'identifier des modes acoustiques tournants propagatifs en aval du rotor, les autres modes étant évanescents. Cette décomposition a également permis de quantifier de manière modale l'atténuation de la distorsion de pression totale à travers le rotor de soufflante. Les résultats obtenus suggèrent que cette atténuation est fortement liée au déplacement de l'onde de choc.

The aim of this study is the numerical study of the effects of distorted inlet flow conditions upon the transsonic flow through an axial turbomachine. This study has been carried out with the NSMB solver, which has been adapted for turbomachinery flow simulations. The main development is the introduction of a spatio-temporal hypothesis allowing to reduce the computational domain to a single blade-to-blade passage for unsteady flows. First, we have investigated the steady flow, with two-dimensionnal inviscid, two-dimensionnal viscous, and three-dimensionnal viscous simulations. Then, the unsteady case with inlet distortion has been considered. The inlet distortion, prescribed by the mean of the upstream boundary condition, is modeled by a gaussian deficit of the total pressure. In this last part of the work we consider the two-dimensionnal inviscid case. A methodology for the unsteady analysis has been set up. A first conclusion drawn from this analysis is that the distorsion does not modify the operating point, but it generates non negligible fluctuations in the shock waves structure. Moreover, the use of a double Fourier expansion, both in time and in circumferential direction, allowed us to identify turning acoustic modes propagating downstream the rotor, the other modes being evanescent. This expansion allowed us to quantify in a modal way the attenuation of the total pressure distorsion through the rotor of the fan. The obtained results suggest that this attenuation is strongly linked to the movement of the shock wave.