Analyse de l'écoulement instationnaire cavitant dans les inducteurs

Analysis of non cavitating flow through inducers

• Auteur / Autrice : Imène Mejri-Chtioui
• Direction : Robert Rey, Farid Bakir
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbomachines

Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)

Résumé

Dans les turbomachines et plus particulièrement dans les inducteurs, la cavitation reste un sujet de préoccupation majeure. L'évolution rapide de l'industrie dans les turbomachines combinée aux récents progrès réalisés en CFD, permettent une investigation, une analyse et un diagnostic numériques de ces machines par une meilleure connaissance des caractéristiques des écoulements dont elles sont le siège. Dans le cadre de ce travail, nous avons étudié une gamme d'inducteurs qui se différentient par certains critères géométriques en écoulements cavitants et subcavitants. Les interactions entre les divers critères géométriques étudiés, jouent sans le moindre doute un rôle important et nécessitent la prise en compte d'un couplage entre ces paramètres dans les diverses conditions de fonctionnement prévisibles (débit, NPSH, etc. ). L' =un des objectifs est d'aboutir, à terme, à une amélioration du processus de conception des inducteurs. La mise en oeuvre de calculs tridimensionnels cavitants, a permis d'analyser les caractéristiques de l'écoulement dans les différentes configurations d'inducteurs pour des régimes de fonctionnement stables et instables, et de détecter les paramètres les plus importants affectant leur bon fonctionnement. Une méthodologie de modélisation des caractéristiques a pu ainsi être mise en oeuvre et appliquée sur différentes géométries avec succès. Un autre objectif poursuivi est de mieux cerner à la fois expérimentalement et numériquement le phénomène de cavitation particulièrement dans ce type de machines en écoulement stationnaire et instationnaire. Ceci a permis d'établir des méthodes précises pour la prédiction de son apparition et du développement de ses différents aspects afin de repousser les limites techniques qu'elle engendre. De manière plus générale, notre collaboration avec ANSYS-Canada et l'Université du New Brunswick au cours de ce travail, a donné lieu à la validation du modèle cavitant du code CFX5. 7 sur l'un des inducteurs présentés dans ce rapport.

Faced with the problem of design in the pump industry, the main difficulty of manufacturers is to have fast, reliable and accurate methods. So far, inducers have been designed principally on an empirical basis, and we depend on such empirical data for the basic engineering design. However, CFD is becoming a dependable tool to predict steady and even unsteady flow with cavitation. With these CFD new and powerful tools, it is expected that we will be able to obtain explanations for the inducers cavitation instabilities and offer new methodologies for the design of stable and reliable inducers and inducer main-stage performance. This research work involving both theory and experiments, deals with this topic. We have developed a complete procedure for design, performance analysis and optimization of inducers geometry. First of all, three-dimensional calculations are carried out for inducers in steady cavitating and non cavitating conditions. Based on both numerical results and experimental test, a second stage of analysis is achieved into unsteady flow conditions. The observation of partial cavities under various conditions leads to the conclusion that the characteristic size of the region in which unsteady effects are significant is variable. In deed, it depends on the inducers design parameters. In some cases, cavitating flow unsteadiness is confined in a relatively small region, so that the cavity can be considered as stable, at least from a large scale viewpoint. Cavitation is handled using special experimental and numerical methodologies. The three-dimensional flow study is performed by CFD tools from ANSYS-Canada group, with the collaboration of the New Brunswick University. This study was illustrated on one of our inducers and it provides the means to complete and validate the cavitating flow simulation procedure of the CFX5. 7 code.