Étude des effets de la distorsion sur la stabilité des compresseurs haute pression multi-étages par modélisation Body-Force

Investigation of the Effects of Inlet Distortion on the Stability of Multi-Stage High-Pressure Compressors via Body-Force Modelling

• Auteur / Autrice : Chiara Crea
• Direction : Guillaume Dufour
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 24/03/2026
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (EPE ; 2025-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISAE-ONERA EDyF Energétique et Dynamique des Fluides
• Jury : Président / Présidente : Antoine Dazin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Dufour, Vassilios Pachidis, Ernesto Benini, Julien Marty, Clémence Rannou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antoine Dazin, Vassilios Pachidis

Mots clés

Mots clés libres

Bfm

Compresseurs

Distorsion

Bfm

Compressors

Distortion

Résumé

Le secteur de l'aviation traverse une transformation vers la durabilité, avec des moteurs aéronautiques de plus en plus conçus pour répondre à des objectifs environnementaux ambitieux. Ces défis imposent des exigences strictes sur les systèmes de propulsion, qui doivent améliorer l'efficacité énergétique, réduire les émissions, limiter le bruit et assurer la rentabilité. Les nouvelles configurations, telles que l'ingestion de la couche limite et les nacelles ultra-compactes, optimisent la performance des aéronefs mais génèrent des distorsions d'entrée susceptibles d'affecter gravement les performances des compresseurs, entraînant des risques de séparation du flux, de baisse de performance, voire des instabilités. Cette recherche se concentre sur les effets des distorsions d'entrée dans les compresseurs haute pression (HPC), en étudiant leur propagation à travers les architectures multi-étages et leur influence sur la robustesse des compresseurs. Les outils de préconception, en raison de leurs hypothèses simplificatrices, ne permettent pas de prédire pleinement les effets des distorsions, tandis que les simulations détaillées sont coûteuses en ressources de calcul. Pour remédier à cela, l’étude adopte et perfectionne un modèle Body-Force, une approche réduite efficace pour simuler la propagation des distorsions dans des configurations simples, et offrant ainsi une alternative pratique aux simulations CFD de haute fidélité. Le travail débute par l’évaluation d’un modèle Body-Force existant, conçu pour des configurations de compresseurs simples, afin d’en analyser la pertinence pour les HPC. Ce modèle est ensuite amélioré pour accroître sa précision et l’adapter aux exigences spécifiques des compresseurs haute pression. Il est validé par des données expérimentales et des simulations aubes-maillées provenant de deux cas tests distincts. L’application du modèle à ces cas permet d’analyser l’impact des distorsions d’entrée sur la robustesse des compresseurs, notamment la manière dont les motifs de distorsion se propagent à travers les étages et influencent la réduction de la marge de décrochage ainsi que l’apparition des instabilités. Les résultats montrent que le modèle prédit précisément la dégradation des performances, la modification du flux et l’évolution de la marge de décrochage. L’étude fournit également des informations sur l’influence des caractéristiques géométriques sur la sensibilité du compresseur aux distorsions. L'amélioration du modèle Body-Force constitue un outil puissant pour la conception en phase précoce, permettant une prise de décision éclairée dans le développement de compresseurs robustes et résistants aux distorsions. Grâce à sa grande efficacité computationnelle, le modèle facilite les études paramétriques et les évaluations des distorsions à un coût raisonnable, améliorant ainsi les performances globales du compresseur. Cette recherche apporte des éclairages précieux sur l'impact des distorsions d'entrée sur la robustesse des compresseurs et permet de mieux comprendre comment les moteurs d'avion de demain pourront répondre aux défis environnementaux et opérationnels à venir. En offrant une alternative plus accessible aux simulations CFD coûteuses, elle ouvre la voie à une conception plus rapide et plus flexible des systèmes de propulsion aérospatiaux.

Aviation is undergoing a transformative shift towards sustainability, with modern aero-engine design focused on meeting ambitious environmental targets. These objectives drive the need for propulsion systems that enhance fuel efficiency, reduce emissions, minimise noise, and maintain cost-effectiveness. In response, engine architectures are evolving towards more advanced configurations, such as boundary layer ingestion and ultra-com-pact nacelles, improving overall aircraft performance. However, these innovations introduce complex flow disturbances at the compressor inlet, resulting in inlet distortion, a non-uniform distribution of velocity, temperature, and pressure, which can lead to significant operational challenges, including flow separation, reduced performance, lower stall margin, and even compressor stall or surge. This research examines the aerodynamic effects of inlet distortion on high-pressure compressors, with a focus on how distortion patterns propagate through multi-stage architectures and influence compressor robustness. The study addresses the challenge of predicting inlet distortion impacts early in the design process. Conventional tools, assuming uniform inlet conditions, often underestimate performance penalties, while blade-resolved simulations are computationally expensive. To overcome these limitations, the research enhances a Body-Force modelling framework: an efficient, reduced-order approach that captures key flow phenomena like distortion propagation and swirl transport, offering a practical alternative to high-fidelity CFD simulations. The research begins with the evaluation of an existing Body-Force model, which is well-established for simpler compressor configurations, and develops targeted modifications to enhance its accuracy and applicability to high-pressure compressors. The enhanced model is validated against high-fidelity reference data from both blade-resolved simulations and experimental data from two distinct compressor test cases. By applying the model to these cases, the research assesses the impact of inlet distortion on compressor robustness, focusing on how distortion patterns propagate across multiple stages and contribute to stall margin reduction and the onset of instability. The results demonstrate that the model accurately predicts distortion-induced effects, including performance degradation, altered flow distribution, and changes in stall margins. Additionally, the study provides insights into the model's capabilities in relation to varying geometric features and highlights how these features influence the compressor's sensitivity to distorted inflow. The enhanced Body-Force model proves to be an efficient tool for early-stage design, facilitating more informed decision-making in the development of robust, distortion-resilient compressors. By simulating inlet distortion effects with high computational efficiency, the model enables early-stage distortion and parametric studies at a reasonable cost, ultimately improving compressor operations. This research provides valuable insights into the impact of inlet distortion on compressor robustness, enhancing the understanding of how future aero-engine designs can address the evolving environmental and operational challenges.