Aspects cinétiques et acoustiques en simulation numérique des grandes échelles, et application à l'étude du contrôle de l'écoulement de jeu en turbomachines

• Auteur / Autrice : Adrien Cahuzac
• Direction : Marc C. Jacob, Jérôme Boudet, Emmanuel Lévêque
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 19/07/2012
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Fabien Godeferd
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : John Chew, Frank Thiele
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Gourdain, Luminita Danaila

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation des grandes échelles

Avions -- Bruit

Mots clés libres

Ecoulement de jeu

Turbomachines

Simulation numérique

Modèle de sous-maille SISM

Flows in turbomachines

Large-eddy simulation

SISM (shear-improved Smagorinsky model)

Résumé

Les écoulements en turbomachines (et notamment en turboréacteurs) sont caractérisés par de larges structures tourbillonnaires et de fortes intensités turbulentes. Ainsi, l’écoulement secondaire dans la région du jeu, en tête d’aube, est l’origine de pertes d’énergie, d’instabilités et de nuisances sonores. Une simulation fine de ces écoulements peut être obtenue par l’emploi de méthodes LES (Large-Eddy Simulation), qui permettent de capturer les fluctuations turbulentes majeures. Compte tenu des phénomènes rencontrés, le modèle de sous-maille SISM (shear-improved Smagorinsky model) est retenu ici. Ce modèle est local dans son écriture, et prend en compte l’influence du cisaillement moyen. Nous proposons ici deux méthodes de filtrage (locales en espace elles aussi) pour obtenir une évaluation du champ moyen requis par le modèle. Ces méthodes sont, dans un premier temps, testées sur une configuration de canal plan. L’écoulement en régime sous-critique autour d’un barreau cylindrique (Re = 4, 7 ×104) est proposé comme cas-test académique sélectif pour ces méthodes : cet écoulement présente de larges structures tourbillonnaires ainsi qu’une turbulence intense, tout comme l’écoulement de jeu. Les simulations permettent l’obtention de résultats très proches des données expérimentales. Une étude comparée des deux algorithmes d’extraction du champ moyen montre que l’adaptativité du filtrage de Kalman offre toutefois des résultats légèrement meilleurs. Enfin, l’analyse d’un écoulement de jeu par une méthode zonale est réalisée (approche LES en tête d’aube, RANS en pied). La simulation de référence obtient des résultats remarquables dans la zone de tête d’aube, en retrouvant notamment les spectres de vitesse expérimentaux. Une seconde simulation avec l’emploi d’un dispositif de contrôle par aspiration au niveau du carter montre deux conséquences principales à ce dispositif: une réduction des niveaux de turbulence aux environs de la tête d’aube, et une modification de la trajectoire du tourbillon de jeu. Celui-ci rencontre l’aube suivante dans la configuration de référence, ce qui n’est plus le cas dans la configuration avec contrôle. Ces deux observations ont une importance certaine dans la réduction des sources acoustiques.

Flows in turbomachines such as jet engines are subject to large vortical structures and strong turbulent intensities. In particular, secondary flows generated in the fan tip region result in energy losses, instabilities and noise radiation. An accurate simulation of such flows can be achieved with large-eddy simulation(LES), which reproduces the most energetic turbulent eddies. In regard of the flowphysics of highly unsteady wall-bounded flows, the SISM (shear-improved Smagorinsky model) is selected to model the sub-grid scales in the present study. This model is local and takes into account the influence of the mean shear. Two smoothing algorithms that are local in space are developed to evaluate the mean flow required by the model : an exponential averaging and an adaptative Kalman filter. These methods are first tested in a channel flow configuration. The numerical approaches are then evaluated on a relevant academic test case :the flow past a circular cylinder in the sub-critical regime (Re = 4, 7 × 104). This flow is dominated by large quasi-periodic vortical structures together with high intensity turbulent fluctuations; quite similarly but much simpler than those found in the tip gap flow. The aerodynamic as well as the acoustic results of the simulations are in very good agreement with the experimental data. A comparative study of the two smoothing algorithms for mean-flow extraction shows that the adaptability of the Kalman filtering leads to slightly better results. Finally, the study of a fan tip-gap flow is carried out with a zonal approach (LES in the tip region, RANS in the hub and midspan region). The reference simulation gives remarkable results in the blade-tip region, particularly for the velocity spectra. A second simulation with a control device by suction through the casing close to the blade leading edge shows two interesting features : a reduction of the turbulence level around the blade tip, and a modification of the tip-vortex trajectory (thus preventing impingement on the adjacent blade). These effects induce a notable reduction of the noise sources.