Analyse numérique d'un décollement alterné dans un diffuseur radial transsonique

L'écoulement dans le diffuseur radial d'un compresseur centrifuge est analysé à régime partiel à partir de calculs RANS. Des calculs mono-canal, stationnaires et instationnaires, sont menés dans un premier temps. En dessous d'un certain débit, les calculs instationnaires chorochroniques ne convergent plus et une basse fréquence apparaît au cours du calcul. A la suite de ce constat, d'autres types de calculs instationnaires sont envisagés, incluant plusieurs canaux par roue. La structure observée dans le diffuseur est alors assez surprenante : à bas débit, l'écoulement s'organise sur un motif de deux canaux adjacents. Au sein d'une paire de canaux adjacents, une dissymétrie de fonctionnement est observée, d'où l'appellation de décollement alterné. Ce schéma à deux canaux alternés est stable et les décollements associés (sur la face en pression dans un canal, sur la face en dépression dans le voisin) sont stationnaires

IMPROVEMENTS IN L2F ANEMOMETRY TECHNIQUE FOR INTER-BLADE INVESTIGATIONS IN HIGH-SPEED TURBOMACHINERY

ABSTRACT This paper presents some problems inherent in the application of a laser two-focus anemometry technique to measurement in high-speed small-scale compressors. Improvements in data processing are described, in relation to reducing the acquisition time. Measurement uncertainties and their possible estimation are discussed. An optimized blade pitch partition during synchronized measurements within rotating blade passages is presented using a prediction of shadow zones. Two examples highlight the resulting benefits both in terms of reduction of the acquisition time and improvement of the azimuthal resolution

Analyse de l'écoulement tridimensionnel et instationnaire dans un compresseur centrifuge à fort taux de pression

Cette étude porte sur un compresseur centrifuge conçu par Turbomeca. Son dessin rompt avec les conceptions classiques de compresseur en introduisant une roue mobile à moyeu non axi-symétrique. Une approche expérimentale et numérique est proposée pour l'analyse de l'écoulement dans ce type de configuration. En premier lieu, l'étude montre la capacité du nouveau dessin à modifier la structure d'écoulement dans la roue mobile. Dans le cas présent, l'effet bénéfique d'une réduction d'intensité tourbillonaire est contre-balancé par une augmentation des pertes au carter, par cisaillement. En second lieu, un traitement analytique des résultats expérimentaux et numériques permet de quantifier la contribution purement instationnaire de l'interaction rotor-stator. L'analyse montre en particulier que la modificiation périodique de la structure de choc attachée au diffuseur est à l'origine d'une augmentation sensible des pertes, par comparaison à celles prédies par les simulations stationnaires.This study deals with a centrifugal compressor, designed and built by Turbomeca. Its impeller has a non-axisymmetric hub and was designed to evaluate the capacity of such a geometry to modify the flow structure within the compressor. The present study is based on both an experimental and a numerical approach. On one hand, it shows that the modification of geometry results in a decrease in intensity of the vortical structures. However, in the present design, this beneficial behavior is balanced by an increase in entropy in the vicinity of the shroud, because of the growth of the shear stresses. On the other hand, the application of analytic methods allows the extraction of the unsteady part of the rotor/stator interaction, from both the experimental and numerical unsteady results. In particular, the periodic modification in the shock wave structure at the diffuser inlet is shown to result in an increase in loss, compared with the loss predicted by steady calculations.LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF

Instabilités aérodynamiques en compresseur centrifuge transsonique

La tendance actuelle de conception des compresseurs pour des applications aéronautiques conduit à dessiner des machines compactes, à fort rendement et grande plage de fonctionnement. Pour des compresseurs à fort taux de pression et grande vitesse de rotation, la plage de fonctionnement est restreinte par le blocage sonique pour les grands débits et par la limite de stabilité aérodynamique pour les petits débits. Une zone de sécurité connue sous le terme de ‘marge au pompage’ est alors imposée pour empêcher le fonctionnement du compresseur à proximité des instabilités. Or c’est généralement dans cette zone interdite que le compresseur présente ses meilleures performances aérodynamiques en terme de taux de pression et rendement. Comprendre la cause des instabilités et les prédire est ainsi un enjeu primordial. Le déclenchement des instabilités est très dépendant du type de compresseur (axial ou centrifuge), du taux de pression ou de la vitesse de rotation ; et aucune méthode n’est à l’heure actuelle prédictive. La présente contribution présente l’analyse du déclenchement des instabilités dans un compresseur centrifuge transsonique pour différentes vitesses de rotation. Cette analyse a été menée à partir de résultats expérimentaux obtenus grâce à des capteurs de pression rapides implantés au carter dans la partie inductrice du rouet, dans le diffuseur lisse et dans le diffuseur aubé. Quelle que soit la vitesse de rotation, la rupture aérodynamique du système de compression résulte d’un pompage de type profond sans précurseur, initié dans le diffuseur par un décollement massif des couches limites. Pour les faibles vitesses de rotation, conjointement au pompage qui reste déclenché dans le diffuseur, des instabilités aérodynamiques sont enregistrées dans l’inducteur du rouet. Ces instabilités tournantes et associées au tourbillon de jeu sont induites par une sur-incidence sur les aubes principales du rouet

Blade row interference and clocking effects in a one and half stage turbine

Ce travail de recherche, principalement expérimental, consiste en l étude et l analyse de l aérodynamique et du transfert thermique dans un étage et demi de turbine. Cette turbine est testé avec des nombres de Reynolds (106) et de Mach, ainsi que des rapports de température gaz/surface et gaz/refroidissant représentatifs de ceux d une turbine HP utilisée en aéronautique. Les mesures de pression et de flux chaleur ont été accomplies de manière à obtenir les composantes stationnaires et instationnaires de l écoulement. Une précédente étude réalisée au sein de l Institut von Karman s était intéressée aux interactions entre le distributeur amont et le rotor de l étage haute pression. La présente étude met en avant l interaction entre l étage haute pression et le second stator au travers de la caractérisation des effets de clocking. Les conclusions de cette étude peuvent être directement utilisées par les concepteurs pour optimiser le positionnement d un second stator en terme de rendement et de minimisation des fluctuations des efforts ou de la charge thermique appliqués par l écoulement sur l aubage.The present research, mostly experimental, consists in investigating and analyzing the aerodynamic and heat transfer in a one and half stage turbine. The turbine is tested under engine representative Reynolds number (106), Mach number (0.9), gas to wall temperature ratio (1.5) and gas to coolant temperature ratio (2.1). Pressure and heat flux measurements were performed in order to obtain both steady and unsteady components of the flow field. Previous investigations focused on the interaction between the inlet guide vane and the rotor of the high-pressure stage. The current work highlights the interaction between the high-pressure stage and the second stator by characterizing clocking effects. The findings of this study may be used by designers to optimiste the position of the second stator in terms of effieciency, blade force fluctuations or heat load minimization.LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF

Treatment of L2F anemometer measurement volume distortions created by curved windows for turbomachinery applications

International audienc

Analyse des mécanismes d'action des traitements de carter dans les compresseurs axiaux

Ce travail de thèse, mené dans le cadre d une convention CIFRE entre Snecma, le CERFACS et le LMFA, s inscrit dans un contexte d amélioration des performances et d extension de la plage de fonctionnement des compresseurs de type axial équipant les turboréacteurs. L une des principales difficultés rencontrée dans cette démarche concerne la maîtrise des écoulements dans la zone de jeu en tête des aubes rotors et qui peuvent entraîner une perte de stabilité du système (pompage et décollement tournant).Une solution technologique prometteuse pour améliorer la stabilité est le traitement de carter qui consiste en un dispositif passif complexe de fentes implantées au carter au droit des rotors. En vue d en améliorer sa conception, les travaux de thèse visent plus particulièrement à approfondir la compréhension des mécanismes d action grâce à une approche numérique CFD avec le code elsA développé par l ONERA et le CERFACS, en modélisation stationnaire et instationnaire. Ces travaux s articulent autour de trois axes principaux. Le premier a eu pour objectif de développer un outil numérique d aide à la compréhension des mécanismes d action des traitements de carter et de diagnostic de leur efficacité. Le principe de l outil, qui est une extension du modèle initialement proposé par Shabbir et Adamczyk, repose sur une évaluation des contributions des termes des équations de Navier-Stokes stationnaires et instationnaires sur un volume de contrôle pris dans l écoulement. Dans le cas pratique, cela revient à quantifier les efforts appliqués sur le fluide. Le second axe traite de l analyse des mécanismes d action des traitements de carter axisymétriques dans deux compresseurs axiaux : l un subsonique à carter cylindrique (CREATE) et l autre transsonique à carter conique (NASA Rotor 37). Les enseignements de cette étude indiquent que ce type de géométrie est marqué par son effet d aspiration de fluide dans la veine. Ce mécanisme est d autant plus amplifié par un phénomène d interaction complexe des fentes avec l écoulement de jeu et la proximité de l intrados de l aube adjacente. Cette partie s est également attardé à la réponse des rainures à un phénomène instationnaire de type sillage de roue amont. Les résultats ont montré que les fentes amortissent les fluctuations de gradient de pression adverse. Le troisième axe porte sur l analyse des mécanismes des traitements de carter non-axisymétriques à travers l étude numérique d un cas test transsonique à carter cylindrique (CBUUA). Le mécanisme d action améliorant la stabilité de la machine tient en la capacité des fentes à limiter la migration dans la direction circonférentielle du vortex de jeu. Les résultats montrent que ce type de géométrie est caractérisé par son effet de réinjection d air qui vient ré-énergétiser l écoulement proche carter.This thesis work, conducted as part of a CIFRE agreement between Snecma, CERFACS and LMFA, deals with the context of improving performance and extending the operating range of axial compressors fitted turbojets. One of the main difficulties in this approach is the flow control in the rotor tip region, which can cause the loss of the system stability (surge and rotating stall). A promising technology known to bring substantial stability is the casing treatment. This passive control device consists of slots of complex geometry within the rotor casing. In order to improve its design, the thesis aimed specifically at improving the understanding of their mechanisms through a numerical approach using the CFD code elsA developed by ONERA and CERFACS, with steady and unsteady approaches. This work focused on three main axes. The first concerns the development of a numerical tool to support the understanding of casing treatment mechanisms and the diagnosis of their efficiency. The principle of the tool, which is an extension of the model originally proposed by Shabbir and Adamczyk, is based on an assessment of the contributions of the terms of the steady and unsteady Navier-Stokes equations on a control volume taken in the flow. In practice, this permits to quantify the forces applied to the fluid. The second axis deals with the analysis of the flow mechanisms induced by axisymetric casing treatments in two axial compressors : one subsonic with a cylindrical casing (CREATE) and the other transonic with a conical casing (NASA Rotor 37). The findings of this study indicate that this type of geometry is characterized by its bleeding effect. This mechanism is further amplified by a complex phenomenon of interaction between grooves, tip leakage vortex and the proximity to the pressure side of the adjacent blade. This part has also dwelt on the groove s response to unsteady upstream stator wakes. The results showed that the slots are able to damp fluctuations of adverse pressure gradient. The third area concerns the analysis of the flow mechanisms induced by non-axisymmetric casing treatment through the numerical study of a transonic compressor with cylindrical casing (CBUUA). The mechanism leading to an enhancement of the stability results in slots ability to limit the migration in the circumferential direction of the tip leakage vortex. The results show that this type of geometry is characterized by its effect of re-injection of fluid that comes re-energize the near casing flow.LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF

Analyse expérimentale des écoulements haute vitesse et instationnaires dans un compresseur multi-étages à forte charge aérodynamique

Ce travail est le produit d une collaboration entre le LMFA (Laboratoire de Mécanique des Fluides et d Acoustique, École Centrale de Lyon France), Snecma et le Cerfacs. Il vise à étudier l écoulement se développant dans le compresseur haute-vitesse axial de 3.5 étages CREATE (Compresseur de Recherche pour l Etude des effets Aérodynamique et TEchnologique vitesse de rotation : 11543 tr/min, vitesse en tête de rotor 1 : 313 m/s), conçu et construit par Snecma et étudié au LMFA sur un banc d essai de 2 MW. Pour étudier l écoulement, des mesures stationnaires de pression et température, de la vélocimétrie laser et des mesures rapides de pression statique et totale ont été utilisées. L analyse se concentre sur deux aspects principaux : l étude de l écoulement aux points de fonctionnement stables, avec un intérêt tout particulier pour les interactions rotor-stator, et l étude des instabilités apparaissant dans la machine à faibles débits.La description de l écoulement instationnaire aux points stables est faite par le biais de mesures de pression statique en parois, de pression totale et de vitesse, mais également de température totale, entropie et angle d incidence du fluide. Il est montré que la complexité et l instationnarité de l écoulement dans un compresseur multiétagé augmente fortement à l arrière de la machine à cause des interactions entre les roues fixes et mobiles. Ainsi, une méthode d analyse modale basée sur la décomposition de Tyler et Sofrin a été développée pour analyser ces interactions. Elle est d abord appliquée aux mesures de pression afin d extraire les contributions de chaque roue. Il est ainsi montré que les interactions complexes de pression dans CREATE peuvent être réduites à trois principaux types d interactions. La méthode de décomposition est enfin appliquée au champ d entropie dans toute la machine extrait de calculs CFD URANS réalisés par le Cerfacs, afin d évaluer l impact des interactions sur les performances de CREATE en terme de génération de pertes.La dernière partie de ce travail est dédié à l analyse des instabilités apparaissant dans CREATE à faible débit. Il est montré que des ondes de pression tournantes apparaissent aux points stables et augmentent en amplitude à mesure qu on se rapproche de la ligne de pompage, jusqu à atteindre une taille critique induisant l apparition d une cellule de décollement tournant sur toute la hauteur de veine. Cette cellule entraîne la machine en pompage en seulement quelques tours. L étude de ces ondes de pression, et la compréhension de leur véritable nature sont réalisées grâce à l application d un modèle analytique aux mesures expérimentales. Une description précise du déclenchement et du cycle du pompage est également faite grâce aux mesures de pression statique au dessus des rotors. Un système de contrôle anti-pompage développé au laboratoire et basé sur la détection de l amplitude des ondes de pression est finalement décrit.The present work is a result of collaboration between the LMFA (Laboratoire de Mécanique des Fluides et d Acoustique, Ecole Centrale de Lyon France), Snecma and the Cerfacs. It aims at studying the flow in the 3.5-stages high-speed axial compressor CREATE (Compresseur de Recherche pour l Etude des effets Aérodynamique et TEchnologique - rotation speed: 11543 RPM, Rotor 1 tip speed: 313 m/s), designed and built by Snecma and investigated at LMFA on a 2-MW test rig. Steady measurements, as well as laser velocimetry, fast-response wall static and total pressure measurements have been used to experimentally investigate the flow. The analysis focuses on two main aspects: the study of the flow at stable operating points, with a special interest on the rotor-stator interactions, and the study of the instabilities arising in the machine at low mass flow rates.The description of the unsteady flow field at stable operating points is done through measurements of wall-static pressure, total pressure and velocity, but also total temperature, entropy and angle of the fluid. It is shown that the complexity and unsteadiness of the flow in a multistage compressor strongly increases in the rear part of the machine, because of the interactions between steady and rotating rows. Therefore, a modal analysis method developed at LMFA and based on the decomposition of Tyler and Sofrin is presented to analyze these interactions. It is first applied to the pressure measurements, in order to extract the contributions of each row. It shows that all the complex pressure interactions in CREATE can be reduced to three main types of interactions. The decomposition method is then applied to the entropy field extracted from URANS CFD calculations performed by the Cerfacs, in order to evaluate the impact of the interactions on the performance of the machine in term of production of losses.The last part of this work is devoted to the analysis of the instabilities arising in CREATE at low mass flows. It shows that rotating pressure waves appear at stable operating points, and increase in amplitude when going towards the surge line, until reaching a critical size provoking the onset a full span stall cell bringing the machine to surge within a few rotor revolutions. The study of these pressure waves, and the understanding of their true nature is achieved through the experimental results and the use of some analytical models. A precise description of the surge transient through wall-static pressure measurements above the rotors is also provided, as well as a description of a complete surge cycle. An anti-surge control system based on the detection of the amplitude of the pressure waves is finally proposed.LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF

Musique et pouvoirs

Selon une croyance quasi universelle, certaines musiques sont investies de pouvoirs, d'où leur efficacité dans des rites permettant à l'individu ou à la collectivité de communiquer avec le monde invisible. D'autres musiques sont porteuses de messages subliminaux et d'effets, dans la mesure où leurs formes sont adaptées à leur finalité. Ainsi, l'usage de la musique à des fins politiques est fréquent, en tant que signe du pouvoir ou que de véhicule de sa propagation. Cette relation peut d'ailleurs revêtir une autre dimension : celle de l'influence du politique sur le musical. Pouvoirs de la musique, pouvoirs par la musique, pouvoirs sur la musique : tels sont les axes d'une relation toujours complexe et ambigüe que les contributions à ce cahier se proposent d'aborder