Effets de gaz-réel sur la transition freestream et les pertes au sein des turbines ORC

Real-gas effects on freestream induced transition and losses in ORC turbine flows

• Auteur / Autrice : Aurélien Bienner
• Direction : Xavier Gloerfelt
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des fluides (AM)
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : DynFluid - Laboratoire de dynamique des fluides
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Compressibles, Turbulence & Acoustique
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Bailly
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Richard Sandberg, Rene Pecnik, Stefan Aus der wiesche, Xavier Gloerfelt, Paola Cinnella
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Richard Sandberg, Rene Pecnik

Mots clés

Mots clés libres

Orc

Turbines

Simulations hautes-fidélités

Transition FST

Pertes

Orc

Turbines

High-fidelity simulations

FST-induced transition

Losses

Résumé

Les cycles de Rankine organique (ORC) apparaissent comme l'une des solutions pour répondre aux défis énergétiques et environnementaux actuels, en raison de leur important potentiel énergétique. L'un des composants clés des ORC est le détendeur, généralement une turbine. Pour les petits systèmes, cette dernière fonctionne dans les régimes transsoniques à supersoniques et peut être influencée par les propriétés de la vapeur organique utilisée, présentant ainsi des effets non idéaux. Dans cette étude, nous examinons les transitions de couche limite (CL) et le mécanisme des pertes au sein des turbines dans des conditions représentatives des ORC pour le fluide Novec649. Nous débutons par la présentation des premières simulations numériques directes (DNS) et des simulations à grandes échelles (LES) de CL transitionnant et turbulentes de Novec dans des conditions subsoniques élevées. Dans l'état turbulent, les profils des propriétés dynamiques de l'écoulement sont peu affectés par les propriétés du gaz et demeurent très proches de la DNS incompressible, malgré la vitesse élevée de l'écoulement subsonique, même si de véritables mais très faibles effets de compressibilité sont présents. Notre stratégie LES est validée par rapport à la DNS et est utilisée pour étudier l'influence de la fréquence et de l'amplitude du forçage sur l'état turbulent établi. Ensuite, pour la première fois, nous étudions, par LES, la transition induite par la turbulence extérieure (FST) de CL de gaz dense sur des plaques planes et autour du bord d'attaque d'une turbine. En raison du nombre de Reynolds élevé, les fines CL interagissent avec de larges structures turbulentes qui peuvent, pour des intensités relativement élevées, favoriser un mécanisme de transition non linéaire au lieu du mécanisme classique de transition par stries laminaires. Comparées au Novec, les CL d'air se révèlent légèrement plus instables mais conservent globalement des caractéristiques similaires, notamment en ce qui concerne les mécanismes de transition observés. Enfin, l'écoulement autour d'une configuration idéalisée d'aube est abordé au moyen de simulations DDES (Delayed Detached-Eddy Simulations), permettant une analyse fine des phénomènes instationnaires. À mesure que la non-idéalité de l'écoulement augmente, le rapport de pression diminue et les pertes augmentent. Comparativement à l'air, la capacité thermique élevée du Novec réduit les fluctuations de température, éliminant ainsi le phénomène dit de séparation d'énergie, tout en accentuant les fluctuations de pression dans le sillage. En comparaison avec les DDES, les simulations RANS conduisent à une sous-estimation des pertes d'environ 20%.

Organic Rankine Cycle (ORC) systems appear as one of the solutions to answer the current energy and environmental challenges, owing to their significant potential for generating power. A key component for ORC is the expander, most often a turbine. For small systems, the latter works in the transonic to supersonic regimes and can be affected by the properties of the organic vapor used and exhibit strong non-ideal effects. In the present study, we investigate boundary layer (BL) transitions and losses mechanism in turbines under conditions representative of ORC for the organic vapor Novec649. We begin by reporting the first direct numerical simulation (DNS) and large-eddy simulations (LES) of transitional and turbulent BL of Novec at high-subsonic conditions. In the turbulent state, the profiles of dynamic flow properties are little affected by the gas properties and remain very close to incompressible DNS, despite the high-subsonic flow speed and even if genuine but very small compressibility effects are present. Our LES strategy is validated against the reference DNS and is used to investigate the influence of forcing frequency and amplitude on the established turbulent state. Then, for the first time, we investigate freestream turbulence (FST)-induced transition of dense-gas BL on flat plates and around the leading-edge of a turbine by means of LES. Due to the high Reynolds number conditions, the thin BL experience large-scale incoming turbulent structures which can, for relatively high intensities, promote a non-linear transition mechanism instead of the classical laminar streak transition mechanism. Compared to Novec flows, air BL are found to be slightly more unstable but retains overall similar characteristics, in particular concerning the transition mechanisms observed. Finally, the flow around an idealized blade vane configuration is tackle by means of Delayed Detached-Eddy Simulations (DDES), allowing fine-detail analysis of unsteady flow phenomena. As the non-ideality of the flow increases, a lower pressure ratio is achieved and the losses increases. With regards to air, Novec's high heat capacity reduces temperature fluctuations, suppressing the so-called energy separation phenomena, while accentuating pressure fluctuations in the wake. Compared to DDES, RANS simulations leads to an underestimation of the losses by about 20%.