Simulation des grandes échelles d'écoulements de gaz dense à travers des grilles d'aube

Large eddy simulation of dense gaz through a turbine cascade

• Auteur / Autrice : Jean-Christophe Hoarau
• Direction : Paola Cinnella, Xavier Gloerfelt
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Soutenance le 28/11/2019
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Dynamique des Fluides (Paris) - Laboratoire de Dynamique des Fluides / DynFluid

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique des fluides

Gaz, Dynamique des

Mots clés libres

Turbulence

Dynamique des gaz

Mécanique des Fluides numérique

Turbomachine

Turbine

Turbulence

Gas dynamics

Computational Fluid Dynamics

Turbomachinery

Turbine

Résumé

Les cycles organiques de Rankine (ORC) sont une technologie prometteuse utilisée pour l'extraction d'énergie à partir de sources de chaleur à basse température. Contrairement aux cycles de Rankine classiques, ils utilisent un fluide organique dense à faible point d'ébullition à la place de l'eau, cela permet d'obtenir des détendeurs plus compacts et plus performants. Pour des conditions thermodynamiques proches de la courbe de coexistence liquide/vapeur et des températures et pressions de l'ordre de grandeur du point critique, la complexité moléculaire des fluides de travail organiques induit des effets de gaz réel considérables qui doivent être modélisés à l'aide de lois d’état et de variation des propriétés de transports avancées. Pour les ORC de moyenne à forte puissance, le détendeur est généralement une turbine, caractérisée par un petit nombre d’étages très chargés fonctionnant dans les régimes d’écoulement transsoniques ou supersoniques. Afin d’améliorer la conception des turbines ORC, il est essentiel de comprendre et prévoir les mécanismes de perte dus à la formation d’ondes de choc et à leur interaction avec les couches limites environnantes transitoires ou turbulentes. Dans ce travail, nous réalisons des simulations aux grandes échelles (LES) d’écoulements transsoniques et supersoniques de gaz dense à travers des grilles d’aubes de turbines. À cette fin, nous avons d’abord mis au point une stratégie numérique appropriée, étudiant notamment des schémas d’intégration temporelle efficaces pour des écoulements dominés par le pas de temps convectif. La méthodologie proposée est validée pour des cas tests de difficulté croissante, y compris la LES de la turbine haute pression VKI LS-89. Dans le passé, cette configuration a fait l’objet de nombreuses recherches expérimentales et numériques, en utilisant un gaz parfait comme fluide de travail. Ensuite, la configuration VKI LS-89 ainsi qu'un injecteur de turbine supersonique spécialement conçu pour les applications ORC sont étudiés à l’aide de LES dans plusieurs conditions de fonctionnement, en utilisant plusieurs fluides de travail entraînant de forts effets de gaz réel, à savoir le fluorocarbure lourd PP11 et le réfrigérant r245fa. Les résultats montrent l'influence des effets de gaz dense sur la formation d'ondes de choc et sur la transition laminaire-turbulent. Des comparaisons avec des simulations basées sur les équations RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) complétées par un modèle de turbulence, l’outil principal pour le design de turbines ORC, montrent des écarts importants dus à la nature transitionnelle des écoulements dans des turbines, soulignant l’importance de l’utilisation de modèles avancés.

Organic Rankine Cycles (ORC) are a promising technology used for energy extraction from low-temperature heat sources. Unlike classical Rankine cycles, they use a low-boiling, dense organic fluid instead of water, leading to more compact and efficient expanders. The molecular complexity of organic working fluids induces, for thermodynamic conditions close to the liquid/vapor coexistence curve and temperatures and pressures of the order of magnitude of the critical point, considerable real gas effects, which need to be modelled by means of advances equations of state and transport-property laws. For medium to high power ORC, the expander is generally a turbine, caracterized by a small number of highly loaded stages working in the supersonic or transonic flow regimes. In order to improve ORC turbine design, it is essential to understand and predict loss mechanisms due to the formation of shock waves and to their interaction with the transitional or turbulent surrounding boundary layers. In this work we carry out large eddy simulations (LES) of transonic and supersonic dense gas flows through turbine cascades. For that purpose, we first set-up a suitable numerical strategy, with focus on efficient time interation schemes for flows dominated by the advective time step. The proposed methodology is validated for test cases of increasing difficulty, including the LES of the VKI LS-89 high-pressure turbine cascade. In the past, such a configuration has been extensively investigated both experimentally and numerically, using a perfect gas as the working fluid. Afterwards, LES of the VKI LS-89 configuration and of a supersonic turbine guide vane specifically design for ORC applications are carried out at various operating conditions by using working fluids leading to strong non-ideal effects, namely, the heavy fluorocarbon PP11 and the refrigerant r245fa. The results show up the influence of dense gas effects on shock wave formation and laminar-to-turbulent transition. Comparisons with simulations based on Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations supplemented by a turbulence model, the workhorse of ORC turbine design, show significant discrepancies due to the transitional nature of turbine flows, pointing out the importance of using advanced models in turbine design.