Analyse aérodynamique et acoustique de l’écoulement de jeu d’un profil isolé

Aerodynamic and acoustic analysis of the tip-leakage flow past a single ailfoil

• Auteur / Autrice : Bo Li
• Direction : Marc C. Jacob, Jérôme Boudet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et aéroacoustique
• Date : Soutenance le 07/12/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mecanique des Fluides et d'Acoustique / LMFA
• Jury : Président / Présidente : Regiane Fortes-Patella
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc C. Jacob, Jérôme Boudet, Lipeng Lu, Laurence Vion
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gérard Bois, Nicolas Binder

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation des grandes échelles

Tourbillons (mécanique des fluides)

Mots clés libres

Écoulement de jeu

Tip-leakage flow

Zonal large-eddy simulation

Reynolds-averaged Navier-Stokes

Vortex wandering

Far-field noise modelling

Résumé

L'écoulement de jeu est un phénomène très important dans les turbomachines. Il provient du mouvement relatif entre la pale et la paroi d'extrémité, et la différence de pression à travers la pale. L'écoulement de jeu est extrêmement complexe pour sa nature tridimensionnelle et instable, et son existence conduit à de nombreux effets défavorables, par exemple, les pertes de performance aérodynamique et les émissions de bruit. C'est pourquoi l'écoulement de jeu a motivé de nombreuses recherches expérimentales et numériques. Afin d'améliorer la compréhension du écoulement de jeu et le bruit de large bande associé, une campagne de recherche a été menée au LMFA. En ce qui concerne l'écoulement de jeu, cette campagne de recherche comprend une expérience avec des technologies de mesure avancées, un calcul zonal LES et une série de calculs RANS / URANS. L'expérience et les simulations considèrent une configuration simple de l'écoulement de jeu à un faible nombre de Mach. Les résultats expérimentaux et numériques sont analysés de façon systématique et approfondie dans la présente étude. Enfin, des efforts sont déployés pour la modélisation et la prédiction du bruit à large bande avec des résultats expérimentaux et numériques. On observe dans l'expérience un système à multiple-tourbillon, avec une tourbillon de jeu intense. Les différentes analyses sur les caractéristiques d'écoulement montrent un bon accord entre l'expérience et le ZLES dans la région du écoulement de jeu. L'approche zonale (RANS-LES) s'avère être un outil puissant pour fournir une description détaillée du écoulement de jeu, avec un coût de calcul limité. Cependant, les calculs RANS et URANS surestiment globalement la diffusion de la tourbillon. En outre, l'oscillation du tourbillon de jeu est étudiée en utilisant des champs instantanés de PIV et l'amplitude d'oscillation est évaluée. La réponse dynamique de la tourbillon de jeu est également étudiée avec URANS aux fréquences choisies. Deux modèles de prédiction du bruit en champ lointain, correspondant à deux sources acoustiques différentes, sont reformulés et mis en oeuvre avec les données de champ proche des simulations numériques. Ces prédictions sont comparées aux mesures à champ lointain. En utilisant les données ZLES, le modèle de l’écoulement de jeu sur-estime le bruit généré dans la région de jeu. Le modèle de bruit de bord de fuite est implémenté avec les données ZLES et les données RANS et fournit une très bonne prédiction dans une large bande de fréquence.

The tip-leakage flow is a common flow feature in turbomachines. It originates from the relative motion between the blade tip and the end-wall, and the pressure difference across the blade. The tip-leakage flow is extremely complex for its three-dimensional unsteady nature, and its existence leads to many unfavourable effects, such as aerodynamic performance losses and noise emissions. These issues have motivated extensive experimental and numerical researches from both aerodynamic and aeroacoustic points of view. In order to improve the understanding of the tip-leakage flow and its associated broadband noise, a research campaign has been carried out at LMFA. Regarding the tip-leakage flow, this research campaign includes an experiment with advanced measurement technologies, a zonal LES computation and a series of RANS/URANS computations. Both the experiment and the simulations consider a single-airfoil configuration at low Mach number. Experimental and numerical results are analysed systematically and thoroughly in the current study. Finally, efforts are put on the broadband noise modelling and prediction based on the experimental and numerical results. A multi-vortex system with an intense tip-leakage vortex is observed in the experiment. The various analyses of the flow characteristics show a good agreement between the experiment and the ZLES in the blade tip region. The zonal (RANS-LES) approach proves itself to be a powerful tool to provide a detailed description of the tip-leakage flow, with a limited computational cost. However, the RANS and URANS computations globally over-estimate the diffusion of the tip-leakage vortex. Furthermore, the random oscillation of the tip-leakage vortex is investigated using PIV instantaneous flow fields and the wandering amplitude is evaluated. The dynamic response of the tip-leakage vortex is also studied with URANS at selected frequencies. Two far-field noise prediction models, corresponding to two different acoustic sources, are reformulated and implemented with the near-field data from the numerical simulations. These predictions are compared to the far-field measurements. Using the ZLES data as input, the blade-tip self-noise model is found to over-estimate the noise generated in the blade-tip region. The trailing-edge noise model is implemented with the time-averaged ZLES and the RANS near-field data, and yields a very good prediction within a broad range of frequency.