Modélisation des écoulements cavitants : étude des comportements instationnaires et application tridimensionnelle aux turbomachines

par Olivier Coutier-Delgosha

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides et transferts

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

Soutenue en 2001

à Grenoble INPG .

mots clés

Résumé

L'étage d'aspiration des turbopompes de moteurs spéciaux cryotechniques, appelé inducteur, opère en régime cavitant, ce qui induit deux types de problèmes. D'une part, la vapeur modifie la charge des aubages et peut donc dégrader la performance de l'inducteur. D'autre part, la cavitation est à l'origine d'instabilités qui engendrent des efforts fluctuants et parfois dissymétriques sur les autres composants. En collaboration avec le CNES et Snecma Moteurs, l'analyse de ces mécanismes d'instabilité a donné lieu à un travail de recherche au LEGI, auquel cette thèse contribue sur le plan numérique. Le modèle physique de cavitation utilisé est basé sur la prise en compte d'un seul fluide, dont la densité varie entre celle de la vapeur et du liquide. La vitesse est la même pour les deux phases, et le taux de vide local est gouverné par une loi d'état barotrope qui relie directement les variations de pression et de densité. Deux approches parallèles ont été suivies sur la base de ce modèle. La première est 2D : elle a été développée au sein de l'équipe et améliorée lors de la présente étude en ce qui concerne la modélisation physique de la turbulence et la résolution numérique. Elle permet d'étudier des configurations simplifiées fixes et 2D représentatives d'un inducteur, en approfondissant l'analyse des propriétés du mélange liquide/vapeur et les aspects instationnaires. Une étude détaillée de l'auto-oscillation des poches de cavitation sur des profils Venturi a ainsi été menée. La seconde approche est l'extension 3D du modèle physique sur la base numérique du code commercial FINE/TURBO tm développé par NUMECA International. Les comportements cavitants quasi-statiques de plusieurs roues centrifuges ont été modélisés de manière satisfaisante : les courbes de chute de performance et les structures diphasiques dans les machines sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. Des premiers calculs prometteurs sur des géométries d'inducteurs ont également été obtenus.

Titre traduit

Numerical simulation of cavitating flows : study of unsteady behaviors and three-dimensional application to turbomachinery

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