Transmission and reflection of acoustic and entropy waves through a stator–rotor stage

The propagation of acoustic, entropy and vorticity waves through turbine stages is of significant interest in the field of core noise. In particular, entropy spots have been shown to generate significant noise when accelerated through turbine stages: the so-called indirect combustion noise. Analytical models for the propagation of acoustic, vorticity and entropy waves through a stator vane, developed since the seventies, are generally based on restrictive assumptions such as low frequency waves. In order to analyze such assumptions, the theory of Cumpsty and Marble is extended to rotating rows and applied to a 2D stator–rotor turbine stage. The theoretical transfer functions are then compared with numerical predictions from forced compressible Large-Eddy Simulations of a 2D stator–rotor configuration, using a fluid–fluid coupling strategy with an overset-grid method. The comparisons between the analytical model and the simulations are in good agreement. To improve the analytical predictions, the attenuation due to the entropy spot deformation through the stator vane or the rotor blade is then included, modeled either analytically or extracted from the mean flow of the simulations. The complete analytical model reveals a good agreement with 2D simulations, which allows the prediction and minimization of both direct and indirect noise at the design-stage without computation

Deformable Overset Grid for Multibody Unsteady Flow Simulation

A deformable overset grid method is proposed to simulate the unsteady aerodynamic problems with multiple flexible moving bodies. This method uses an unstructured overset grid coupled with local mesh deformation to achieve both robustness and efficiency. The overset grid hierarchically organizes the subgrids into clusters and layers, allowing for overlapping/embedding of different type meshes, in which the mesh quality and resolution can be independently controlled. At each time step, mesh deformation is locally applied to the subgrids associated with deforming bodies by an improved Delaunay graph mapping method that uses a very coarse Delaunay mesh as the background graph. The graph is moved and deformed by the spring analogy method according to the specified motion, and then the computational meshes are relocated by a simple one-to-one mapping. An efficient implicit hole-cutting and intergrid boundary definition procedure is implemented fully automatically for both cell-centered and cell-vertex schemes based on the wall distance and an alternative digital tree data search algorithm. This method is successfully applied to several complex multibody unsteady aerodynamic simulations, and the results demonstrate the robustness and efficiency of the proposed method for complex unsteady flow problems, particularly for those involving simultaneous large relative motion and self-deformation

A Higher-Order Chimera Method for Finite Volume Schemes

In this work a higher-order accurate finite volume method for the resolution of the Euler/Navier–Stokes equations using Chimera grid techniques is presented. The formulation is based on the use of Moving Least Squares approximations in order to obtain higher-order accurate reconstruction and connectivity between the overlapped grids. The accuracy and performance of the proposed methodology is demonstrated by solving different benchmark problems

Cfd Analysis Of Helicopter Rotor-fuselage Flow Interaction In Hovering And Forward Flight Conditions

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (Ph.D.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016Askı ve ileri uçuş durumunda zorlu rotor-gövde akış etkileşim problemini incelemek için zamana bağlı sıkıştırılabilir akış analizleri gerçekleştirilmiştir. Sistemi oluşturan herbir bileşenin akış yapısı üzerindeki etkilerini irdelemek için izole gövde ve izole rotor konfigürasyonları ele alınmıştır. Daha sonra, bileşenlerin birbirlerine olan etkilerini incelemek amacıyla sistemin tamamı analize tabi tutulmuştur. İzole gövde analizleri RANS tabanlı daimi hesaplamalara dayanmaktadır. Rotor palalarını içeren durumlar için ise URANS çözümleri gerçekleştirilmiştir. Akışın türbülanslı doğasını modellemek için daha güvenilir sonuç ürettiği analizler ile tespit edilmiş olan Realizable k-ε türbülans modeli kullanılmıştır. Zamana bağlı rotor analizleri üç farklı ilerleme oranı için gerçekleştirilmiştir. Hava yükleri nedeniyle palada gözlemlenen dinamik hareketler azimut açısı ile periyodik bir şekilde değişim gösterirken, aynı zamanda ilerleme oranına bağlı olarak da değişim göstermektedir. Palanın tanımlı hareketleri, mevcut kod yetenekleri ile temsil edilememektedir. Fakat, bu dinamik hareketler ticari HAD yazılımı içerisine kullanıcı tarafından yazılan bir kod vasıtasıyla simülasyon modeline dahil edilebilmektedir. Bilhassa ileri uçuş şartlarında daha belirgin olan çırpma ve yunuslama hareketlerini modellemek için birinci mertebe Fourier serilerinden yararlanılarak bir UDF kodu yazılmıştır. Hesaplama hacmi düzensiz yapıda olup karma elemanlardan oluşmaktadır. Dinamik çözüm ağı yaklaşımlarında sıklıkla görülen problemler çözüm ağı deformasyonu ve çözüm ağı oluşturma yöntemlerinin kullanıldığı dinamik ağlar ile aşılmıştır. Mevcut sayısal çalışmanın doğruluğu deneyler ve diğer sayısal çalışmaların sonuçları ile karşılaştırılarak ortaya konmuştur. Benzer başarılı sonuçlar, daha az sayıda çözüm ağı kullanılarak elde edilmiştir. Bu nedenle, mevcut yöntem hesaplama süresinde azalma sağlamakta ve makul hesaplama kaynağı kullanımını mümkün kılmaktadır.Unsteady compressible flow analyses are carried out to investigate the challenging helicopter rotor–fuselage interaction problem in hover and forward flight conditions. First, the isolated fuselage and the isolated rotor configurations are analyzed to examine the individual effects of each component on the flow field. Then, the rotor-fuselage interaction problem is considered. The isolated fuselage analyses are based on the steady RANS computations. URANS simulations are carried out for the cases with rotor blades. The Realizable k-ε turbulence model is found to perform best for the predictions. The time-dependent rotor analyses are simulated at three different advance ratios. The blade dynamic motions excited by the air loads, which vary periodically in the azimuth direction and also differ based on the advance ratio, have been prescribed by a UDF code embedded into the solver, since these motions cannot be directly represented with the existing commercial code capabilities. Azimuthal variations of the flap and pitch motions of the blades are prescribed a priori as a first order Fourier series through User Defined Function feature of the code. The computational domain was modeled by unstructured hybrid mesh elements. Commonly seen dynamic mesh problems are alleviated by appropriately formed dynamic grids using the spring based smoothing and cell re-meshing methods. The accuracy of the present numerical predictions has been demonstrated by the comparison of obtained results with the experiments and other numerical results available in the open literature. The present single grid methodology has given similar successful results with much lower number of grid elements, thus resulting in much shorter computing times, using modest computational power.DoktoraPh.D

Coupled Large Eddy Simulations of combustion chamber-turbine interactions

Les turbines à gaz modernes deviennent de plus en plus compactes, ce qui augmente les interactions entre leurs différents composants. Les interactions chambre de combustion-turbine sont particulièrement critiques car elles peuvent changer le champ aérothermique dans la turbine et réduire la durée de vie du moteur. Aujourd’hui, ces deux composants sont traités de façon indépendante, ce qui ne permet pas de prendre en compte leurs interactions. Cette thèse propose une approche couplée, basée sur les Simulations aux Grandes Échelles (SGE), une technique qui permet de prendre en compte toutes les interactions chambre de combustion-turbine. Dans la première partie de cette thèse, une méthode, compatible avec le code SGE AVBP, est proposée pour traiter les configurations rotor/stator de manière rigoureuse. Une série de cas test académiques vient prouver que l’interface respecte les propriétés des schémas numériques du code. Cette étude est suivie par une validation de l’approche dans le cas d'une turbine haute-pression mono-étage. Les résultats sont comparés avec des mesures expérimentales et l’influence des différents paramètres et modèles est établi. La deuxième partie de cette travail est dédiée à la prédiction des interactions chambre de combustion-turbine en utilisant les méthodes précédemment décrites et validées. Le premier type d’interaction étudié est la génération du bruit de combustion indirect dans une turbine haute pression. Ce bruit est créé lorsque des hétérogénéités de température, générées dans la chambre de combustion, sont accélérées dans la turbine. Pour simplifier les calculs, les hétérogénéités sont modélisées par des fluctuations de température sinusoïdales, injectées dans la turbine par les conditions limites. Les mécanismes de génération de bruit sont mis en évidence et le bruit de combustion indirect est mesuré et comparé avec une théorie analytique et des prédictions 2D. La deuxième application est un calcul couplé chambre de combustion-turbine qui analyse les interactions entre ces deux composants d’un point de vue aérothermique. Les caractéristiques instationnaires de l’écoulement à l’entrée de la turbine et la migration des hétérogénéités de température dans la turbine sont étudiées. Un calcul de la turbine seule est aussi effectué pour comparaison avec le calcul couplé. ABSTRACT : Modern gas turbines are characterized by compact designs that enhance the interactions between its different components. Combustion chamber-turbine interactions, in particular, are critical as they may alter the aerothermal flow field of the turbine which can drastically impact the engine life duration. Current state-of-the-art treats these two components in a decoupled way and does not take into account their interactions. This dissertation proposes a coupled approach based on the high-fidelity Large Eddy Simulation (LES) formalism that can take into account all the potential paths of interactions between components. In the first part of this work, an overset grid method is proposed to treat rotor/stator configurations in a rigorous fashion that is compatible with the LES solver AVBP. This interface treatment is shown not to impact the characteristics of the numerical schemes on a series of academic test cases of varying complexity. The approach is then validated on a realistic high-pressure turbine stage. The results are compared against experimental measurements and the influence of different modeling and simulation parameters is evaluated. The second part of this work is dedicated to the prediction of combustion chamber-turbine interactions using the developed methodologies. The first type of interactions evaluated is the indirect combustion noise generation across a high-pressure turbine stage. This noise arises when combustor-generated temperature heterogeneities are accelerated in the turbine. To simplify the simulations the heterogeneities are modeled by sinusoidal temperature fluctuations injected in the turbine through the boundary conditions. The noise generation mechanisms are revealed by such LES and the indirect combustion noise is measured and compared to an analytical theory and 2D predictions. The second application is a fully-coupled combustor-turbine simulation that investigates the interactions between the two components from an aerothermal point of view. The rich flow characteristics at the turbine inlet, issued by the unsteady combustion in the chamber, are analyzed along with the migration of the temperature heterogeneities. A standalone turbine simulation serves as a benchmark to compare the impact of the fully coupled approach

Simulation des émissions d'un moteur à propergol solide : vers une modélisation multi-échelle de l'impact atmosphérique des lanceurs

Les lanceurs ont un impact sur la composition de l'atmosphere, et en particulier sur l'ozone stratospherique. Parmi tous les types de propulsion, les moteurs à propergol solide ont fait l'objet d'une attention particulière car leurs émissions sont responsables d'un appauvrissement significatif d'ozone dans le panache des lanceurs lors des premières heures suivant le lancement. Ce phénomène est principalement dû à la conversion de l'acide chlorhydrique, un composé chimique présent en grandes quantités dans les émissions de ce type de moteur, en chlore actif qui réagit par la suite avec l'ozone dans un cycle catalytique similaire à celui responsable du "trou de la couche d'ozone", cette diminution périodique de l'ozone en Antarctique. Cette conversion se produit dans le panache supersonique, où les hautes températures favorisent une seconde combustion entre certaines espèces chimiques du panache et l'air ambiant. L'objectif de cette étude est d'évaluer la concentration de chlore actif dans le panache d'un moteur à propergol solide en utilisant la technique des Simulations aux Grandes Echelles (SGE). Le gaz est injecté à travers la tuyère d'un moteur et une méthode de couplage entre deux instances du solveur de mécanique des fluides est utilisée pour étendre autant que possible le domaine de calcul derrière la tuyère (jusqu'à l'équivalent de 400 diamètres de sortie de la tuyère). Cette méthodologie est validée par une première SGE sans chimie, en analysant les caractéristiques de l'écoulement supersonique avec co-écoulement obtenu par ce calcul. Ensuite, le chimie mettant en jeu la conversion des espèces chlorées a été étudiée au moyen d'un modèle "hors-ligne" permettant de résoudre une chimie complexe le long de lignes de courant extraites d'un écoulement moyenné dans le temps résultant du calcul précédent (non réactif). Enfin, une SGE multi-espèces est réalisée, incluant un schéma chimique auparavant réduit afin de limiter le coût de calcul. Cette simulation représente une des toutes premières SGE d'un jet supersonique réactif, incluant la tuyère, effectuée sur un domaine de calcul aussi long. En capturant avec précision le mélange du panache avec l'air ambiant ainsi que les interactions entre turbulence et combustion, la technique des simulations aux grandes échelles offre une évaluation des concentrations des espèces chimiques dans le jet d'une precision inédite. Ces résultats peuvent être utilisés pour initialiser des calculs atmosphériques sur de plus larges domaines, afin de modéliser les réactions entre chlore actif et ozone et de quantifier l'appauvrissement en ozone dans le panache.Rockets have an impact on the chemical composition of the atmosphere, and particularly on stratospheric ozone. Among all types of propulsion, Solid-Rocket Motors (SRMs) have given rise to concerns since their emissions are responsible for a severe decrease in ozone concentration in the rocket plume during the first hours after a launch. The main source of ozone depletion is due to the conversion of hydrogen chloride, a chemical compound emitted in large quantities by ammonium perchlorate based propellants, into active chlorine compounds, which then react with ozone in a destructive catalytic cycle, similar to those responsible for the Antartic "Ozone hole". This conversion occurs in the hot, supersonic exhaust plume, as part of a strong second combustion between chemical species of the plume and air. The objective of this study is to evaluate the active chlorine concentration in the far-field plume of a solid-rocket motor using large-eddy simulations (LES). The gas is injected through the entire nozzle of the SRM and a local time-stepping method based on coupling multi-instances of the fluid solver is used to extend the computational domain up to 400 nozzle exit diameters downstream of the nozzle exit. The methodology is validated for a non-reactive case by analyzing the flow characteristics of the resulting supersonic co-flowing under-expanded jet. Then the chemistry of chlorine is studied off-line using a complex chemistry solver applied on trajectories extracted from the LES time-averaged flow-field. Finally, the online chemistry is analyzed by means of the multi-species version of the LES solver using a reduced chemical scheme. To the best of our knowledge, this represents one of the first LES of a reactive supersonic jet, including nozzle geometry, performed over such a long computational domain. By capturing the effect of mixing of the exhaust plume with ambient air and the interactions between turbulence and combustion, LES offers an evaluation of chemical species distribution in the SRM plume with an unprecedented accuracy. These results can be used to initialize atmospheric simulations on larger domains, in order to model the chemical reactions between active chlorine and ozone and to quantify the ozone loss in SRM plumes

Numerical study of laminar and turbulent flames propagating in a fan-stirred vessel

Les énergies fossiles sont largement utilisées depuis les années 1900 pour satisfaire l’augmentation mondiale de la demande d’énergie. Cependant, la combustion est un procédé qui libère des polluants comme le CO2 et les NOx. Un des principaux challenges du 21ème siècle est de réduire ces émissions et les constructeurs automobiles sont impliqués dans cette course. Pour augmenter le rendement des moteurs à pistons, des solutions techniques, tels que le "downsizing", sont développées. Cette technique consiste à réduire la cylindrée des moteurs tout en maintenant leurs performances grâce à un turbocompresseur qui permet d’augmenter la masse enfermée dans la chambre de combustion. Malheureusement, l’augmentation de la pression dans les cylindres induite par le turbocompresseur est à l’origine de combustions anormales : des variations cycles à cycles importantes apparaissent, les gaz frais peuvent s’auto-allumer (allumage avant le claquage de la bougie) entrainant des phénomènes de cliquetis ou de rumble. La Simulation aux Grandes Echelles (SGE) a déjà prouvé qu’elle était un outil fiable pour prédire ces combustions anormales. Cependant ces calculs reposent sur des modèles pour prédire la propagation de la flamme dans la chambre de combustion. Ces modèles sont généralement issus de corrélations réalisées dans des cas où la turbulence est supposée homogène et isotrope. Définir théoriquement ou numériquement une telle turbulence est relativement simple mais expérimentalement la tâche est plus délicate. Cette thèse s’intéresse à un dispositif classiquement utilisé: une enceinte fermée dans laquelle la turbulence est générée par des ventilateurs. L’objectif de ce travail est donc double: 1. caractériser la turbulence générée dans ce type d’enceinte pour vérifier si elle est homogène et isotrope. 2. caractériser finement la combustion, laminaire et turbulente, afin d’enrichir les connaissances dans ce domaine et ainsi améliorer les modèles utilisés. Une première étude sur la propagation des flammes laminaires a été menée. Elle présente les effets de l’étirement et du confinement sur la vitesse de flamme laminaire. La principale difficulté pour la simulation de l’enceinte complète consiste à trouver une méthode numérique permettant de reproduire précisément l’écoulement généré par un ventilateur mais aussi d’en gérer plusieurs simultanément. Deux méthodes ont alors été testées. Premièrement, une méthode type Frontières Immergées a été implémentée dans le code de calcul AVBP. Malgré les bons résultats obtenus sur des cas tests simples, cette méthode ne s’est pas montrée adaptée pour reproduire précisément l’écoulement généré par un seul ventilateur. Une autre approche, provenant du monde du calcul des turbomachines, et basée sur le couplage de codes (appelée MISCOG), a quant à elle démontré ses capacités à le faire et est donc utilisée pour calculer l’écoulement généré par les six ventilateurs à l’intérieur de l’enceinte. L’écoulement non réactif est d’abord analysé: les résultats montrent qu’il existe une zone d’environ 6 cm de diamètre au centre de l’enceinte dans laquelle la vitesse moyenne de l’écoulement est proche de zéro et dans laquelle la turbulence est quasiment homogène et isotrope. Enfin, le pré-mélange de gaz frais est allumé en déposant un noyau de gaz chauds au centre de l’enceinte et la phase de propagation turbulente est analysée. En particulier, il est montré que la température des gaz brulés déposés au moment de l’allumage est un paramètre critique. ABSTRACT : Fossil energy is widely used since the 1900s to satisfy the global increasing energy demand. However, combustion is a process releasing pollutants such as CO2 and NOx. One of the major challenges of the 21th century is to reduce these emissions and car manufacturers are involved in this race. To increase fuel efficiency of piston engines, some technical solutions are developed such as ‘downsizing’. It consists in reducing the engine size while maintaining its performances using a turbocharger to increase the trapped mass in the combustion chamber. Unfortunately, downsizing can lead to abnormal combustions: intense cycle to cycle variations can appear, the fresh mixture can auto-ignite (ignition before spark-plug ignition) leading to knock or rumble. Large Eddy Simulation has proven to be a reliable tool to predict these abnormal combustions in real engines. However, such computations are performed using models to predict the flame propagation in the combustion chamber. Theses models are generally based on correlations derived in cases where turbulence is assumed to be homogeneous and isotropic. Defining theoretically or numerically such a turbulence is a simple task but experimentally it is more challenging. This thesis focuses on a apparatus used in most experimental systems: fans stirred vessel. The objective of this work is twofold: 1. characterize the turbulence generated inside the vessel to check wether it is homogeneous and isotropic or not, 2. finely characterize laminar and turbulent combustion in this setup in order to increase the knowledge in this field, and thereby improve models used. First, a laminar flame propagation study has been conducted to address both confinement and curvature effects on the laminar flame speed in a spherical configuration. The main difficulty to perform the simulation of the whole configuration consists in finding a numerical method able to compute accurately the flow generated by one fan and able to handle six fans simultaneously too. Two numerical methodologies have been tested. First an Immersed Boundaries method was implemented. Despite good results obtained on academic test cases, this method was shown to be unadapted to compute accurately the flow generated by one fan. On the other hand, a numerical approach, coming from turbomachinery calculations and based on code coupling (called MISCOG), demonstrates its ability to do it and it is used to compute the flow generated by the six fans inside the closed vessel. Non-reacting flow is first analyzed and reveals a zone at the vessel center of around 6 cm of diameter where mean velocity is near zero and turbulence is almost homogeneous and isotropic. After that, the premixed fresh mixture is ignited depositing a hot gases kernel at the vessel center and the turbulent propagation phase is analyzed. In particular, it is shown that the amount of energy deposited at ignition is a critical parameter

Méthodes numériques pour la simulation aux grandes échelles LES monocanal d'étages de turbomachines

L'industrie aéronautique et en particulier celle qui s’intéresse aux turbomachines cherche en permanence à optimiser l’aérodynamique pour réduire la consommation de carburant ainsi que les émissions de polluants et notamment de gaz à effet de serre. Cette recherche passe par l’étude précise des différents modules pour vérifier un certain nombre d'éléments critiques tels que la marge au pompage, les niveaux de température pour la tenue des matériaux, les domaines d'opérabilité, etc. Les simulations instationnaires, dont les simulations aux grandes échelles (SGE) font partie, sont d'excellentes candidates pour pouvoir rendre compte de toute cette complexité, en particulier les interactions entre éléments et modules d'une turbine à gaz. Cependant, le coût de calcul pour un compresseur ou une turbine est tel que ce type de simulations n'est pas accessible pour le domaine industriel. Afin de réduire ces coûts, différents choix sont possibles. Du point de vue purement géométrique, les nombres d'aubage des étages de turbomachines étant la plupart du temps premiers entre eux, il est nécessaire de simuler l'intégralité azimutale de la machine pour prédire correctement les écoulements. Ainsi, cette thèse s’intéresse à l’étude de deux méthodes de réduction de taille de domaine pour les étages de turbomachines par des approches mono ou bi canal dans l’optique de rendre plus abordables les SGE. La méthode profile transformation (PTA) permet de transmettre l'information de part et d'autre de l'interface rotor stator à l'aide d'une mise à l'échelle géométrique. L'impact de l'hypothèse est évalué analytiquement, puis sur des cas de complexité croissante depuis un cas académique jusqu'à une turbine haute-pression industrielle. La méthode basée sur la périodicité spatio-temporelle de l'écoulement, appelée hypothèse chorochronique, est ensuite étudiée. Une condition limite particulière est conçue pour la gestion des bords azimutaux et une première évaluation est menée sur un cas académique de sillages défilants. Le même cas est utilisé pour valider la méthode complète constituée du traitement chorochronique aux bords azimutaux et à l'interface rotor stator. Dans une dernière partie, les deux méthodes sont comparées sur une configuration industrielle d'un étage de compresseur haute-pression