Modélisation et analyse des mécanismes impliqués dans l

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  • et discipline ou spcialit

    Jury :

    le

    Institut Suprieur de lAronautique et de lEspace (ISAE)

    Yannick BOUSQUET

    mercredi 2 avril 2014

    Modlisation et analyse des mcanismes impliqus dans lapparition dupompage dun tage de compresseur centrifuge

    ED MEGeP : Dynamique des fluides

    quipe d'accueil ISAE-ONERA EDyF

    M. Pascal FERRAND, Directeur de recherche CNRS, cole Centrale de Lyon - Prsident du juryM. Jrg SEUME, Professeur, University of Hannover - Rapporteur

    M. Stphane MOREAU, Professeur, Universit de Sherbrooke - RapporteurM. Antine DAZIN, Matre de confrence, ENSAM, Lille

    M. Frdric SICOT, Ingnieur de recherche, CERFACS, ToulouseM. Mathieu ROUMEAS,Docteur -I ngnieur, Liebherr Aerospace Toulouse

    Mme Isabelle TREBINJAC, Professeur, cole Centrale de Lyon - Co-directrice de thseM. Xavier CARBONNEAU - Directeur de thse

    M. Xavier CARBONNEAU (directeur de thse)Mme Isabelle TREBINJAC (co-directrice de thse)

  • Remerciements

    Cette premiere page marque la fin de la redaction du present manuscrit et de cette these realiseeau Departement dAerodynamique Energetique et Propulsion (DAEP) de lISAE en collaborationavec Liebherr Toulouse Aerospace (LTS), le Laboratoire de Mecanique des Fluides et dAcoustique(LMFA) de lecole centrale de Lyon et le CERFACS. Cest donc le moment pour moi de remerciertoutes les personnes qui ont contribue de pres ou de loin a la realisation de ce travail.

    En particulier, je souhaite remercier mes directeurs de these Isabelle Trebinjac et Xavier Car-bonneau, respectivement professeur a lecole Centrale de Lyon et a lISAE, ainsi que MathieuRoumeas, Docteur-Ingenieur a LTS, pour leur disponibilite et la confiance quils mont accordeedurant ces trois annees.

    Je souhaite egalement remercier Guillaume Dufour et Nicolas Binder pour les nombreux echangesque nous avons pu avoir tout au long de la these concernant la modelisation numerique et lesdifferentes analyses physiques.

    Dans un cadre plus large, je tiens aussi a remercier toutes les personnes du departementaeroacoustique de LTS ainsi que celles du DAEP de lISAE pour la qualite de leur accueil etleur convivialite.

    Les travaux numeriques realises dans le cadre de cette these ont ete menes en etroite collabo-ration avec le CERFACS. A ce titre, je tiens a remercier Nicolas Gourdain pour son accueil ausein de lequipe CFD, ainsi que Thomas Leonard et Adrien Gomar pour leurs aides concernant lepost-traitement des donnees numeriques instationnaires. Je souhaite egalement remercier le CINESpour lacces aux ressources informatiques et plus precisement au calculateur JADE.

    Je tiens aussi a remercier les personnes qui ont participe au jury de these : Frederic Sicot, AntoineDazin, Pascal Ferrand, et plus particulierement les deux rapporteurs Joerg Seume et StephaneMoreau pour le temps consacre a levaluation du manuscrit.

    Dans un cadre plus amical, je souhaite remercier mes co-burauteurs : Juan, Suky, Remi etAdriana.

    Finalement, mes derniers remerciements iront a mon pere, ma mere, mon frere et mes surs,et surtout, a Isabelle C. pour sa patience ...

  • Liste des publications

    Y. Bousquet, X. Carbonneau and I. Trebinjac, Assessment of steady and unsteady modelpredictions for a subsonic centrifugal compressor stage, presented at the ASME Turbo Expo2012, Copenhaguen, Denmark, 2012.

    Y. Bousquet, X. Carbonneau, G. Dufour, I. Trebinjac and M. Roumeas, Decription of theunsteady flow pattern from peak efficiency to near stall stability limit in a centrifugal com-pressor stage, presented at the ETC 2013, Lappeenranta, Finland, 2013.

    Y. Bousquet, X. Carbonneau, G. Dufour, N. Binder, and I. Trebinjac, Analysis of the uns-teady flow field in a centrifugal compressor from peak-efficiency to near stall with full-annulussimulations, International Journal of Rotating Machinery, Volume 2014, Article ID 729629,11 pages, Published 16 January 2014.

  • Resume

    Le present travail sinscrit dans le cadre dune convention CIFRE entre Liebherr-AerospaceToulouse SAS et le Departement dAerodynamique Energetique et Propulsion (DAEP) de lISAE.Letude porte sur lanalyse des mecanismes responsables de la perte de la stabilite dun etage decompression centrifuge. Lobjectif industriel sous-jacent est lelargissement de la plage de fonction-nement stable des compresseurs. Les travaux sont abordes par voie numerique a laide du code decalcul elsA, developpe par lONERA et le CERFACS. Les simulations instationnaires sont effectueessur la circonference complete des roues.

    La topologie de lecoulement est analysee dans un premier temps selon trois points de fonc-tionnement stables repartis sur la courbe caracteristique de liso-vitesse de design. Cette analysepermet de decrire levolution des phenomenes lorsque le debit est reduit. Au voisinage de la lignede stabilite, lexces dincidence sur les aubes du rouet declenche le decollement de la couche limitesur la face en depression. Le fluide issu de la zone decollee migre en direction du carter et ali-mente lecoulement de jeu. En consequence, le deficit de vitesse au voisinage du carter sintensifieet un lacher periodique de structures tourbillonnaires apparat a linterface entre les ecoulementssecondaires et lecoulement principal.

    La perte de la stabilite de letage setablit suite a la naissance dune perturbation de typemodal au sein de lespace lisse. Cette derniere induit de fortes distorsions circonferentielles dansletage de compression mais affecte plus particulierement lecoulement a lentree du rouet. Sur lamoitie de la circonference, linterface entre les ecoulements secondaires et lecoulement principalainsi que les structures tourbillonnaires sont deplacees en amont du front de grille. Le taux total-total du rouet chute de maniere brutale et entrane la perte de la stabilite de letage.

    Enfin, la derniere partie de ce travail est dediee a la mise en place de criteres adaptes au modelestationnaire mono-canal utilise chez LTS. Ces criteres seront utilises pour ameliorer la predictionde la ligne de pompage en phase de design. Dans un premier temps, la pertinence de lutilisationdu modele stationnaire au voisinage de la ligne de stabilite est evaluee. Dans un second temps,les influences de la vitesse de rotation et de la geometrie de letage sur la topologie sont etudiees.Deux situations sont jugees critique vis-a-vis de la stabilite. La premiere concerne lalignement delinterface entre lecoulement de jeu et lecoulement principal avec le front de grille. La deuxiemeconcerne loperation du compresseur avec un angle decoulement en sur-incidence sur les aubes dudiffuseur qui setablit sur toute la hauteur de veine.

  • Abstract

    This work results from a CIFRE partnership between Liebherr-Aerospace Toulouse SAS andthe Aerodynamics, Energetics and Propulsion Department (DAEP) of ISAE. The main objectiveis to investigate the mechanisms responsible of the stall onset in a centrifugal compressor operatingat the nominal rotational speed. It is part of a larger work which aims at extending the stableoperating range of compressors integrated in air conditioning system. The analyses are based onthe results of unsteady simulations, in a calculation domain comprising all the blade passages. Theyare performed with the elsA software developed by ONERA and CERFACS.

    The investigations show the modifications of the unsteady flow pattern when the mass flow isreduced along the speed line. Near the stability limit, the high incidence angle on the impeller bladeleads to a boundary layer separation on the suction side. The fluid in the separation zone movestoward the shroud and enlarges the low momentum flow zone generated by the leakage flow. Theinterface between the leakage flow and the main flow becomes unstable to the extent of a periodicvortex formation.

    The path to instability is driven by the growth of a small amplitude disturbance (modal wave)rotating in the vaneless space. The length scale of the wave is equal to the compressor circumfe-rence. This perturbation induces distortions and alters the flow characteristics in every location ofthis subsonic stage, and more specifically the impeller inlet flow structure : the unstable interfacebetween the main flow and the leakage flow is periodically moved upstream of the leading edgeplane causing a significant drop of the impeller total-to-total pressure ratio.

    The last part of this work concerns the definition of criteria which can improve the surge lineprediction during the design process in an industrial environment. Therefore, they are adapted tothe numerical steady model using the mixing plane approach. To do so, the capacity of the steadymodel to predict the flow structure when the compressor operates near stall is investigated. Then,the effects of the rotational speed and of the compressor geometry are evaluated. Theses two stepshave permitted to define two critical situations regarding the stage stability. The first one is relatedto the alignment of the interface between the main flow and the leakage flow with the leading edgeplane. The second one concerns the compressor operation with positive incidence on the diffuservane, along the full span.

  • Nomenclature

    Variables

    B Parametre de GreitzerCp Capacite calorifique massiqueD Tenseur des taux de deformation

    E Energie totalef Frequenceh Enthalpie ou hauteur de veineHe Helicite

    k Energie cinetique du mouvement turbulentKsb,Ksn Courbure dans les plans meridien et aube-a-aubem Coordonnee meridienneM Nombre de Machm Debit masseN Nombre daubesp PressionPr Nombre de Prandtlq Flux de chaleurr Constante des gaz parfaits ou rayonS Entropiet Tempstr RotationT Periode temporelle ou temperatureU Vitesse dentranementV Vitesse absolueW Vitesse relativex, y, z Coordonnees cartesiennesx, r, Coordonnees cylindriquess, b, n Coordonnees curvilignes

  • Lettres grecque

    , Angle decoulement absolu, relatif Rapport des capacites calorifiques Rendement Phase Viscosite dynamique Vitesse de rotation Vorticite Taux de compression Masse volumique Tenseur des contraintes visqueuses Position azimutale Coefficient de vannage

    Indices et exposants

    Grandeur reduite Grandeur fluctuante Valeur moyennecor Corrigeconv Convectivenom Nominalprop PropagativeR Rotorref ReferenceS Stators Grandeur statiquet Grandeur totale ou turbulentets Total-a-statique0 Plan dentree du domaine de calcul1 Plan situe en amont du rouet2 Plan situe au bord de fuite des pales du rouet3 Plan situe au bord dattaque des pales du diffuseur4 Plan situe au bord de fuite des pales du diffuseur

    Abreviations

    BA, BF Bord dattaque, bord de fuite

    Ej Ecoulement de jeu

    Es Ecoulement secondaireLTS Liebherr-Aerospace ToulouseNS Near stallOP Operating pointPP, PI Pale principale, intercalaire+ Face en pression- Face en depression

  • Table des matieres

    1 Introduction 5

    1.1 Generalites sur les systemes de conditionnement dair . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

    1.2 Enjeux industriels et scientifiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    1.3 Positionnement de letude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

    1.4 Organisation du memoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

    2 Les instabilites aerodynamiques dans les compresseurs 11

    2.1 Donnees generales sur les compresseurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

    2.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

    2.1.2 Performances et stabilite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

    2.1.3 Les principales structures de lecoulement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

    2.2 Le phenomene de pompage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

    2.2.1 Definition et generalites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

    2.2.2 Modelisation et analyse theorique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

    2.2.3 Effets des composants sur lentree en pompage du compresseur . . . . . . . . 22

    2.3 Le phenomene de decrochage tournant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

    2.3.1 Definition et generalites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

    2.3.2 Organisation des cellules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

    2.3.3 Les mecanismes a lorigine de la formation des cellules . . . . . . . . . . . . . 29

    2.4 Le phenomene de mild-stall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

    2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

    3 Configuration etudiee et modelisation numerique 39

    3.1 Configuration etudiee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

    3.1.1 Environnement de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

    3.1.2 Modelisation numerique de letage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

    3.2 Mise en equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

    3.2.1 Le modele de Navier-Stokes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

    3.2.2 La simulation numerique directe (DNS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

    3.2.3 Simulation des grandes echelles (LES) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

    3.2.4 La modelisation RANS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

    3.3 Modelisation des ecoulements en turbomachine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

    3.3.1 Les methodes stationnaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

    3.3.2 Les methodes instationnaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

    3.3.3 Synthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

    3.4 Parametrages numeriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

    3.4.1 Le code elsA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

    3.4.2 Discretisation du systeme dequations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

    1

  • TABLE DES MATIERES

    3.4.3 Conditions aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.5 Deroulement des simulations et validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

    3.5.1 Mise en donnee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.5.2 Etat de la convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.5.3 Performances globales et validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

    4 Analyse de lecoulement pour trois points de fonctionnement stables 634.1 Analyse de lecoulement au sein du rouet centrifuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

    4.1.1 Donnees generales sur la topologie de lecoulement . . . . . . . . . . . . . . . 644.1.2 Analyse mono-dimensionnelle selon la coordonnee meridienne . . . . . . . . . 694.1.3 Analyse stationnaire des structures tridimensionnelles . . . . . . . . . . . . . 714.1.4 Analyse des phenomenes instationnaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

    4.2 Analyse de lecoulement au sein du diffuseur...

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