Simulation numérique d'écoulements 2D/3D cavitants, stationnaires et instationnaires : analyse spécifique pour les turbomachines

par Benoît Pouffary

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides et transferts

Sous la direction de Regiane Fortes-Patella et de Jean-Luc Reboud.

Soutenue en 2004

à Grenoble INPG .

mots clés

Résumé

Les travaux présentés concernent la simulation numérique d'écoulements cavitants à l'aide d'une loi barotrope pour modéliser le phénomène de cavitation. Ce modèle a été intégré dans le code commercial Fine/Turbo développé et commercialisé par la société Numeca Int. Du point de vue numérique, l'essentiel du travail a porté sur l'amélioration de la stabilité numérique et sur la fiabilisation de l'algorithme ; ces recherches ont débouché notamment sur la modification du calcul des paramètres de préconditionnement. La faisabilité de calculs cavitants instationnaires a été démontrée pour deux configurations bidimensionnelles : un canal venturi et un hydrofoil. Dans les deux cas, le lâcher de structures de vapeur à l'aval des poches a été simulé et l'écoulement dans ces conditions a été étudié. Une étude de l'influence des principaux paramètres numériques a été menée dans le cas du venturi. L'autre aspect du travail concerne les calculs en turbomachines. Une méthodologie permettant de reproduire numériquement la chute de performance en cavitation a été proposée et mise en oeuvre sur deux géométries d'inducteur, deux géométries de rouet et une grille d'aubes. Ces calculs ont permis de caractériser les mécanismes conduisant à la chute de performance et à observer les modifications induites par la cavitation sur les écoulements internes. Enfin, la faisabilité de la simulation d'instabilités de cavitation a été démontrée à partir des calculs dans une grille d'aubes. Les régimes sub synchrone et super synchrone ont été reproduits et un mécanisme de propagation de ces instabilités a été proposé.

Titre traduit

Numerical simulation of 2D/3D, steady and unsteady cavitating flows : specific analysis for turbomachinery.

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Résumé

This study concerns numerical simulation of cavitating flows with a barotropic state law to model the cavitation phenomenon. This model has been integrated in the commercial CFD code Fine/Turbo, developped and commercialised by Numeca Int. The numerical aspects of the work are mainly focused on numerical stability and fiability of the algorithm. This research conducted to propose new ways to calculate the preconditioning parameters. Feasability of unsteady cavitating computations has been demonstrated for two two-dimensional configurations: a venturi section and an hydrofoil. In both cases, the shedding of vapour structures downstream from the cavity was simulated and the flow was investigated. The influence of the main numerical parameters has been discussed for the venturi computations. On the other hand, internal flows in turbomachinery has been deeply investigated. A methodology allowing the numerical simulation of the head drop induced by the development of cavitation has been proposed on the basis of computations on two inducers, two centrifugal pumps and one blade cascade. These simulations have allowed the characterisation of the mechanisms leading to the head drop and the visualisation of the effects of the development of cavitation on internal flows. Last, feasability of the simulation of cavitation instabilities in a blade cascade was demonstrated. Sub synchronous and super synchronous regimes have been reproduced and a mechanism for the development of these instabilities has been proposed.