Simulation numérique des phénomènes de décollement tournant dans les compresseurs axiaux

Numerical simulation of rotating stall phenomena in axial compressors

• Auteur / Autrice : Nicolas Gourdain
• Direction : Francis Leboeuf
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences. Mécanique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Compresseurs

Analyse temps-fréquence

Simulation par ordinateur

Mots clés libres

Décollement tournant

Résumé

Une meilleure compréhension des écoulements instables qui interviennent dans les compresseurs à débits partiels permet de réduire la marge au pompage et le poids du système. Cette étude s'intéresse à la première instabilité généralement rencontrée dans les compresseurs, à proximité du taux de pression maximum, appelé décollement tournant. Ce phénomène est caractérisé par la présence d'une ou plusieurs cellules d'écoulement décollé qui tournent à une fraction de la vitesse du rotor. L'objectif de l'étude est de comprendre les mécanismes mis en jeu dans un étage de compresseur axial grâce à une approche numérique. L'étage complet est modélisé avec une approche 2. 5D, puis avec une approche 3D intégrant les effets technologiques (écoulement de jeu). La simulation numérique montre qu'au moins deux mécanismes sont mis en jeu dans l'apparition de l'instabilité. Le premier concerne l'interaction locale entre l'écoulement moyen et l'écoulement de jeu, tandis que le second implique le développement d'une onde modale qui affecte tout le système. La limite de stabilité et les performances en régime instable du compresseur sont bien estimées par les calculs. Les signaux instationnaires issus de la simulation sont analysés grâce à une méthode spectrale temps-fréquence et la structure de l'écoulement en régime de décollement tournant est expliquée. Un nouveau modèle est également proposé afin de prédire les caractéristiques des modes spatiaux et temporels résultant de l'interaction des cellules de décollement tournant avec le compresseur.

In compressors, a better understanding of the unstable flows that occur at low mass flow coefficient enables a reduction of the surge margin and leads to higher performance in terms of weight for the whole system. This study deals with the first instability which generally occurs in compressors, close to the maximum of pressure rise, called rotating stall. The phenomenon is characterized by cells of stalled flow which rotate at a fraction of the rotor speed. The aim of this study is to understand flows phenomena in a stage of an axial compressor thanks to a numerical approach. The whole stage is modeled thanks to a quasi-3D approach, then with a full 3D approach which takes into account technological effects (tip leakage). The numerical simulation shows that at less two different flow mechanisms are involved in the stall inception. The first one is linked to the local interaction betweenthe incoming flow and the tip leakage flow, whereas the second one is a modal wave which grows in the whole system. The stall inception point and performances during rotating stall are well estimated by computations. Unsteady signals from the simulation are analyzed thanks to a time-frequency spectral method and the flow structure under rotating stall conditions is explained. A new flow modelis also proposed, in order to predict spatial and temporal modes which are the results of the interaction between rotating stall cells and the compressor stage.