Analyse et contrôle de l'écoulement de jeu d'une aube fixe isolée - ONERA - Office national d'études et de recherches aérospatiales Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Analysis and control of the tip-leakage flow of an isolated and fixed blade

Analyse et contrôle de l'écoulement de jeu d'une aube fixe isolée

Résumé

This study aims at providing a detailed description of the tip-leakage flow, in order to analyzeits sensitivity to design parameters and to control devices based on air injection from the casing. The setup iscomposed of a single blade, set orthogonal to a flat plate that plays the role of the casing wall. The analysis isbased on experiments conducted in a low-speed wind tunnel that are complemented by CFD calculations. Thetip-leakage flow is primarily driven by the gap height. The incoming boundary layer thickness and the bladeloading also have a notable effect on the lateral position of the tip-leakage vortex. The distribution of local entropycreation rate has been used to identify areas of losses in the flow. Moreover, the total pressure losses have beendecomposed in two terms identified as a vortex loss and a wake loss. This vortex loss drives the increase of totalpressure losses with the gap height. An empirical model has been developped to predict the evolution of thetip-leakage vortex circulation and of the total pressure losses with respect to the gap height. A steady injection ofair from the casing has been evaluated, using normal jets in the gap. With this control strategy, the tip-leakagevortex tends to be closer to the blade, which could lead to an extension of the range of stable operation for axialcompressors. In addition to that, the control device smoothes out the axial vorticity field in the tip-leakage vortex,which could be interesting to reduce rotor-stator interactions. However, this control strategy leads to higher totalpressure losses and is less effective with larger gaps.
L’objectif de cette ´étude est de d´écrire en détail l´écoulement de jeu afin d’en ´évaluer la sensibilité´e auxparamètres de conception ainsi que la r´réceptivité´e `a des dispositifs de contrôle par injection d’air au carter. Pourcela, on considère une géométrie simplifiée qui est constituée d’une aube fixe isolée, placée perpendiculairement `aune plaque plane représentant le carter. L’analyse de cette configuration simplifiée s’appuie sur la complémentarité´edes mesures en soufflerie et simulations numériques. La taille du jeu est le paramètre principal qui affectel’écoulement de jeu. L’épaisseur de la couche limite incidente au carter et le chargement de l’aube ont ´égalementun effet visible sur la position latérale du tourbillon de jeu. Le calcul du taux de création d’entropie local a permisd’identifier plusieurs zones de pertes dans l’écoulement. Ensuite, les pertes de pression totale ont été décomposéesen la somme d’un terme li´e au tourbillon et d’un autre li´e au déficit de vitesse longitudinale. Ce terme li´e autourbillon est responsable de l’augmentation des pertes de pression totale avec la taille du jeu. Enfin, un modèleempirique a été développé pour estimer la circulation du tourbillon de jeu ainsi que les pertes de pression totaleen fonction de la taille du jeu. Un système d’injection continue d’air dans le jeu a été évalué, les jets étant orientésperpendiculairement au carter. D’une part, cette stratégie de contrôle permet de rapprocher le tourbillon de jeude l’aube, ce qui pourrait permettre d’augmenter le domaine de fonctionnement stable d’un compresseur. D’autrepart, le champ de vorticité axiale dans le tourbillon de jeu devient plus homogène, ce qui serait intéressant pourlimiter les interactions rotor-stator. Cependant cette approche tend `a augmenter les pertes de pression totale etperd en efficacité avec un élargissement du jeu.
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Dates et versions

tel-03003331 , version 1 (13-11-2020)
tel-03003331 , version 2 (20-11-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03003331 , version 2

Citer

Benjamin Deveaux. Analyse et contrôle de l'écoulement de jeu d'une aube fixe isolée. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. HESAM Université, 2020. Français. ⟨NNT : 2020HESAE009⟩. ⟨tel-03003331v2⟩
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