Simulation et modélisation de l’écoulement de jeu dans un compresseur axial

Drame, Ahmadou Bamba (2024). Simulation et modélisation de l’écoulement de jeu dans un compresseur axial. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les ventilateurs sont utilisés dans plusieurs domaines. Leur nombre augmente, ce qui accroît la consommation globale d’énergie liée à leur emploi. Pour satisfaire cette demande, il devient nécessaire d’améliorer l’efficacité des ventilateurs, en utilisant des ventilateurs versatile et stable qui consomment moins d’énergie. Pour répondre à cette problématique, il est important de concevoir des machines qui fonctionnent hors point optimum. Il faut aussi améliorer la stabilité des ventilateurs, qui est liée à l’écoulement de jeu.

On s’intéresse ici à l’écoulement de jeu dans un ventilateur axial. Le jeu est l’espace entre les pièces mobiles et les pièces fixes. L’écoulement au travers de cet espace a des effets inévitables et significatifs. La diminution du débit entrant fait apparaître des phénomènes instationnaires complexes dans le jeu, provoquant le décrochage de la machine. Il est nécessaire d’analyser et de comprendre les mécanismes qui dégradent ces performances. Les objectifs généraux de cette thèse sont le développement d’une modélisation fiable des sources de pertes en dehors du point de conception et l’amélioration de la connaissance des instationnarités en écoulement de jeu.

À cet effet, les méthodes numériques en mécanique des fluides (ou Computational Fluid Dynamics CFD) s’appuyant sur une approche moyenne (RANS) et Hybride résolvant dans le temps et dans l’espace les échelles de la turbulence sont utilisées pour mieux prédire l’écoulement de jeu. La méthode RANS, moins coûteuse en termes de temps de calcul, permet d’accéder plus facilement aux champs stationnaires et estimer les pertes, mais limite l’analyse des structures tourbillonnaires présentes dans le jeu. La simulation aux grandes échelles (SGE) est alors un complément de la simulation RANS, car elle aide à détecter et à comprendre le système des tourbillons, leurs dynamiques et leurs interactions avec les pièces fixes ou mobiles, mais elle reste très coûteuse en termes de temps de calcul, donc l’approche Hybride reste une alternative sophistiquée pour étudier les instationnarités dans cette thèse. Les approches de simulation CFD Reynolds Average Navier-Stokes (RANS) et Shear Blended Eddy simulation (SBES) sont utilisées dans le cadre de ces travaux pour réaliser les calculs sur la grille et sur le ventilateur.

Dans cette thèse, le modèle de Deveaux (2020) a été évalué et étendu aux points hors optimum sur la configuration VT, puis vérifié sur la configuration USI7, afin de répondre partiellement à la conception hors optimum. LaDMDpermet d’identifier des modes globaux en 2 fréquences 90 Hz et 180 Hz au point proche du décrochage. Ces fréquences sont associées aux instationnarités qui provoquent l’instabilité des machines.

Titre traduit

Simulation and modeling of the tip leakage vortex of an axial compressor

Résumé traduit

Fans are applications that are increasingly used in many areas. This increase in use leads to a growing. To meet this demand, it becomes necessary to improve fan efficiency, using versatile and stable fans that consume less energy. To meet this challenge, it is important to design machines that operate outside the optimum point. We also need to improve fan stability that is linked to leakage flow.

In this work, we are interested in the flow of backlash in an axial fan. The clearance is the space between the moving parts (the rotating blades) and the fixed parts (the duct or machine casing). Flow through this gap has unavoidable and significant effects. Reduced inflow leads to complex unsteady phenomena in the gap, causing the machine to stall. It therefore seems necessary to investigate and understand the mechanisms behind performance degradations in these fans. The general objectives of this thesis are, to improve our knowledge of the instationnarities that are very frequent in gap flow to develop reliable modeling of loss sources outside the design point.

Therefore, RANS and Hybrid methods are widely used to better predict the physical phenomena that generate the game flow. The RANS method is less expensive in terms of computation time and allows to access more easily to the stationary fields. But it seems limited, because it does not allow access to the unsteady characters of the vortices (TLV, TCRV, TSV). The SGE simulation is then a complement to the RANS simulation, because it helps to detect and understand the vortex system, their dynamics and their interaction with the stationary or moving surfaces, but it remains very costly in terms of computation time, so the Hybrid approach remains a sophisticated alternative to study instationarities in this thesis. The CFD simulation approaches Reynolds Average Navier-Stokes (RANS) and Shear Blended Eddy simulation (SBES) are used in this work to carry out calculations on the cascade configuration and on the fan.

In this thesis, Deveaux’s (2020) model was evaluated and extended to non-optimal operating points on the VT configuration, then verified on the USI7 configuration, in order to partially address the non-optimal design point. Application of the DMD identifies global modes at 2 frequencies, 90 Hz and 180 Hz, at the operating point close to stall. These frequencies are associated with the unsteadiness that cause machines instability.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 179-187).
Mots-clés libres:	turbomachine, turbulence, écoulement de jeu, tourbillon de jeu, performance aérodynamique, instationnarités CFD, Reynolds Average Navier-Stokes, Shear Blended Eddy Simulation, Décomposition Modale Dynamique (DMD)
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Sanjosé, Marlène
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	30 avr. 2025 14:16
Dernière modification:	30 avr. 2025 14:16
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3587

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