Analyse et modélisation numérique des interactions rotor/stator des

Proposition de sujet de thèse CERFACS/SNECMA sous contrat Cifre (2008-2011)
Analyse et modélisation numérique des interactions rotor/stator des
écoulements dans une turbomachine multi étages
Contexte :
La prédiction des performances aérodynamiques des turbomachines multi-étages
(compresseurs et turbines) équipant les turboréacteurs, s’appuient aujourd’hui principalement
sur des simulations Navier-Stokes 3D « stationnaire », elles-mêmes basées sur l’utilisation de la
condition, dite du « plan de mélange » aux interfaces rotor/stator. En modifiant le comportement
réel de l’écoulement aux interfaces rotor/stator, cette approche stationnaire constitue une
limitation importante de la modélisation des phénomènes d’interaction étage ou multi étages
dans les turbomachines. Des travaux réalisés récemment par plusieurs centres de recherche
dont le CERFACS, permettent d’espérer une implémentation efficace d’une nouvelle technique
numérique, permettant de prendre en compte tout ou partie des phénomènes instationnaires.
Les travaux de thèse proposés consistent à développer et à évaluer cette technique autour de
cas tests turbomachines multi-étages.
Principe des méthodes spectrales
Les méthodes de type spectrale permettent de représenter des phénomènes instationnaires en
réduisant considérablement le temps de calcul. Il est par exemple possible de représenter un
écoulement en utilisant sa périodicité pour décomposer les champs conservatifs en série de
Fourier (méthodes TSM pour « Time Spectral Method »). Le calcul instationnaire est alors
décomposé en un ensemble de calculs stationnaires couplés entre eux par un terme source.
Aujourd’hui, cette méthodes a montré qu’il est possible de réduire d’un facteur 10 le temps de
calcul des écoulements périodiques. La principale limitation tient cependant dans le fait que
seule une fréquence (et ses harmoniques) est considérée. En pratique, cela limite les
applications aux cas des turbomachines mono-étages. Afin d’étendre ces méthodes aux cas
multi-étages, une action vise à étudier la possibilité de prendre en compte plusieurs fréquences.
L’utilisation des décompositions en séries de Fourier doit alors être abandonnée pour recourir à
une technique plus évoluée. Cette technique appelée « HBT (pour « Harmonic Balance
Technique»), permet a priori une prise en compte dans les simulations des interactions de type
rotor-stator.
Objectifs de la thèse:
1. Analyse bibliographique des différentes techniques numériques permettant de simuler
tout ou une partie des instationnarités des écoulements en environnement
turbomachines multi-étagés (approche annulaire associée à la méthode « sliding
mesh », méthode RNA, méthode chorochronique, méthodes HBT, etc.). Il s’agira
notamment lors de cette 1 ière étape de se familiariser avec les modélisations et les
hypothèses de ces différentes approches numériques et d’en appréhender les limitations
2.
3.
4.
5.
tant au niveau de leurs capacités à représenter la physique des écoulements qu’au
niveau de leurs utilisations dans un contexte industriel.
Analyse détaillée de l’algorithme de résolution numérique d’une approche THB pour des
applications turbomachines, avec en particulier, le traitement des conditions aux limites
aux interfaces rotor/stator.
Extension aux applications multi étages, des développements déjà réalisés par le
CERFACS pour des applications mono étage.
Etude des limitations de l’approche HBT au regard de la modélisation des phénomènes
aéro-instationnaires rencontrés dans les turbomachines. On s'intéressera
essentiellement au domaine de fonctionnement stable de la machine. En particulier,
évaluer sa capacité à reproduire les phénomènes instationnaires suivants :
q Interactions entre étages (convection des sillages, des chocs, des structures
tourbillonnaires,etc.)
q Phénomène de flottement caractérisé par des vibrations asynchrones des pales sur
un mode propre de la structure.
Validation des développements numériques réalisés en évaluant la méthode développée
sur plusieurs cas tests représentatifs, et en confrontant les résultats HBT obtenus, avec
des résultats d’essais et/ou à des résultats issus d’autres approche numériques
instationnaires (calculs annulaires 3D, calculs « chorochroniques »).
Moyens envisagés :
q Données expérimentales: Snecma dispose de plusieurs bases de données
expérimentales sur lesquelles les développements numériques pourront être validés
(Cas tests compresseurs et turbines avec des mesures de grandeurs aérodynamiques
réalisées à l’aide de sondes stationnaires ou de capteurs rapides).
q
Développements & Simulations numériques : Ils seront conduits autour du logiciel
elsA (ensemble logiciel de simulation en Aérodynamique) développé par le CERFACS et
l’ONERA.
Références :
[1] K Ekici and K.C. Hall: Non-linear analysis of unsteady flows in multistage
Turbomachines using the Harmonique Balance Technique. In the 44th AIAA Aerospace
Science Meeting, Reno, Nevada, Jan 2006. AIAA Paper 2006-422
[2] A Gopinath and J Jameson: Time Spectral Method for Periodic Unsteady
Computations over Two and Three Dimensional bodies. In 43rd Aerospace Sciences
meeting and Exhibit, Reno, Nevada, Jan. 2005 AIAA Paper 2005-1220
[3] A Gopinath and J Jameson: Time Spectral of the Time Spectral Method for Periodic
Unsteady Vortex shedding. In 44rd AIAA, Aerospace Sciences meeting and Exhibit,
Reno, Nevada, Jan. 2006 AIAA Paper 2006-0449
[4] A Gopinath, E Van der Weide, J Alonso, k Ekici, and K Hall; Three dimensional
Unsteady multi-stage Turbomachinery Simulations using the Harmonic Balance
Technique. In 45th AIAA, Aerospace Sciences meeting and Exhibit, Reno, Nevada, Jan.
2007 AIAA Paper 2007-0892
[5] K.C Hall, J.P Thomas and W.S Clark: Computation of Unsteady Nonlinear Flows in
cascades using a Harmonic Balance Technique. AIAA Journal, 40(5): 879-886, 2002
[6] S Vilmin, C Hirsch, E Lorrain, and M Schwoboda: Unsteady Flow Modelling across the
rotor/stator Interface using the Non-linear Harmonic Method. ASME Turbo Expo 2006,
number 90210 in GT-2006, Barcelona, Spain, May 2006
Date prévisionnelle de début la thèse: Octobre 2008
Profil du candidat : Formation en mécanique des fluides / propulsion / Aéro-thermodynamique
des turbomachines (Ecole d’ingénieur ou formation universitaire) possédant une solide formation
en analyse numérique
Laboratoire d’accueil :
CERFACS : 42, Avenue Gaspard Coriolis. 31057 Toulouse Cedex 01. France
Responsable encadrement Cerfacs : G.Puigt & N.Gourdain
Directeur de thèse envisagé : à préciser
Candidature à transmettre à:
SNECMA
Michel DUMAS
Snecma Villaroche – Bât 40-04
Rond Point René Ravaud – Réau
77550 Moissy Cramayel
France
email : [email protected]
CERFACS
Guillaume Puigt
CERFACS
42, Avenue Gaspard Coriolis.
31057 Toulouse Cedex 01
France
email : [email protected]