Modélisation de l'écoulement de jeu dans les rotors de compresseurs axiaux

Modeling of the tip-leakage flow in axial compressor rotors

• Auteur / Autrice : Valentin Caries
• Direction : Jérôme Boudet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 11/06/2025
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et d'acoustique (Rhône ; Ecully, Rhône ; 1962)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Ottavy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Boudet, Regiane Fortes-Patella, Andrew Wheeler
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sofiane Khelladi, Nicolas Gourdain
• DOI : 10.70675/229593a1z57c2z472bz8d93z23b9f855cf68

Mots clés

Mots clés contrôlés

Compresseurs

Tourbillons (mécanique des fluides)

Mots clés libres

Ecoulement de jeu

Compresseur axial

Turbomachines

Méthodes de panneaux

Rans

Détection de tourbillon

Tip-Leakage flow

Axial compressor

Turbomachinery

Panel Methods

Rans

Vortex Detection

Résumé

L'optimisation des performances des turbomachines, en particulier des compresseurs axiaux, constitue une priorité majeure dans la conception des moteurs d'avion.Parmi les phénomènes aérodynamiques importants, l'écoulement de jeu radial, situé entre l'extrémité des aubes de rotor et le carter, joue un rôle déterminant sur les performances, la stabilité et l'efficacité des compresseurs.Ce phénomène tridimensionnel et instationnaire est causé par une différence de pression entre les faces intrados et extrados des aubes, induisant une fuite d'air qui génère un lâcher de vorticité venant se déverser dans l'écoulement principal.Sa structure prédominante, le tourbillon de jeu, interagit avec l'écoulement environnant, provoquant des pertes aérodynamiques supplémentaires.Les simulations haute fidélité offrent une modélisation détaillée de ces écoulements complexes, mais leur coût de calcul important limite leur utilisation en phase préliminaire de conception.Pour pallier cette contrainte, une nouvelle approche bas ordre tridimensionnelle, appelée méthode de panneaux hybride (MPH), est proposée dans cette thèse.Cette démarche innovante permet une prédiction rapide et précise de l'écoulement potentiel autour d'un rotor caréné, tout en intégrant les effets liés à l'écoulement de jeu radial.L'approche combine, d'une part, une méthode de réseaux de vortex pour modéliser le moyeu et le carter, avec, d'autre part, une méthode de panneaux pour l'aube, son sillage et son écoulement de jeu.Ce dernier est représenté sous forme d'une nappe de vorticité.Des modèles existants ont été intégrés pour capturer les caractéristiques clés de l'écoulement de jeu, telles que la vitesse de l'écoulement dans le jeu, la trajectoire du tourbillon de jeu et les pertes associées.En outre, un algorithme de détection de vortex a été développé pour suivre la dynamique du vortex de jeu radial dans des simulations de plus haute fidélité afin de permettre une comparaison à l'approche bas ordre.Des comparaisons avec des simulations Navier-Stokes moyennes (RANS), sur un rotor de compresseur axial basse vitesse au point de rendement maximal, montrent que la MPH prédit correctement les tendances de chargement des aubes ainsi que les distributions radiales des variables de l'écoulement.Les écarts observés sont principalement liés au caractère non visqueux de la méthode et au modèle simplifié de son sillage.Malgré ces limites, la MPH reproduit fidèlement le comportement du tourbillon de jeu et présente une bonne concordance avec les résultats RANS en termes de trajectoire du tourbillon, de circulation et de pertes.Enfin, une analyse de sensibilité a révélé l'influence de paramètres tels que l'angle d'incidence et la taille du jeu.Si la méthode capture efficacement les tendances aérodynamiques globales, sa précision diminue pour des jeux de grande taille.Cependant, la MPH met en évidence un fort potentiel pour la conception préliminaire des compresseurs, offrant une possibilité de calcul plus rapide, de moins d'une minute, par rapport aux simulations RANS.Cette approche constitue donc un outil efficace et robuste pour l'exploration de nouvelles géométries de compresseurs.

In the aerospace industry, optimizing the performance of turbomachinery, especially axial compressors is essential.The complex flow dynamics, including the tip-leakage flow (TLF) originating from the clearance between the rotor blade tip and the shroud, have a significant impact on aerodynamic performance, stability and efficiency.It is a three-dimensional, unsteady phenomenon caused by the pressure difference across the rotor blade, which causes a leakage from the pressure side to the suction side, and generates a significant vorticity shedding in the main flow.The resulting main structure, the tip-leakage vortex (TLV), interacts with the main flow, causing additional losses.High-fidelity simulations offer detailed insights into these flows, but are computationally expensive, which limits their application in early design stages.To overcome this limitation, a novel low-order 3D hybrid panel method (HPM) is presented in this work, which enables fast, yet accurate prediction of the potential flow around a ducted rotor, while considering the TLF effects.The method combines a vortex lattice model for the endwalls with a panel method for the blade, wake and TLF sheet.It enables efficient prediction of flow fields and blade loading during early compressor design.TLF models within the HPM framework estimate key properties such as tip gap velocity, TLV trajectory and associated losses.Additionally, a vortex detection algorithm was developed to track the TLV in higher-fidelity simulations for comparison with the HPM approach.Comparisons with Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) simulations on a low-speed axial compressor rotor at the maximum efficiency operating point showed that the HPM accurately predicts blade loading trends and radial flow distributions.Discrepancies primarily result from the inviscid nature of the method and the simplified frozen wake model.The HPM successfully tracks the TLV behavior, and aligns well with RANS results in terms of vortex size, circulation and loss coefficients.A sensitivity analysis revealed the influence of parameters such as incidence angle and tip gap size.While the HPM captured the global aerodynamic trends, its accuracy in modeling blade loading and the TLF behavior at larger tip gaps showed limitations.Despite these limitations, the HPM proved to be an efficient tool, providing results in less than a minute, for the exploration of new blade designs in the early stages of compressor development.