Dissertationen zum Thema „Écoulements de compression“

L'étude des suspensions de particules est cruciale en raison de leur omniprésence dans divers domaines industriels et naturels. Comprendre leur comportement permet d'améliorer des procédés tels que la fabrication de matériaux composites, le traitement des eaux et l'étude des sédiments et des sols. Au cours des deux dernières décennies, la rhéologie des suspensions de particules a été largement étudiée en écoulements de cisaillement simple. Les expériences ont montré que la viscosité effective d'une suspension isodense et non-brownienne augmente avec la fraction volumique en particules. La question posée dans ma thèse est de savoir si les lois rhéologiques permettent de décrire le comportement des suspensions de particules dans des configurations plus complexes comme des écoulements de compression. Nous avons étudié expérimentalement le comportement des suspensions dans deux configurations d'écoulement de compression. Dans la première configuration, la suspension est comprimée entre un disque mobile s'approchant à vitesse imposée vers une paroi verticale. Des mesures locales de pression ont été réalisées, en faisant varier la fraction volumique de la suspension et la vitesse de compression. Un cadre théorique a été établi permettant de relier la différence de pression radiale dans l'écoulement de compression à la viscosité effective de la suspension et donc de la mesurer indirectement. Nous avons montré que la viscosité effective déduite par cette approche dans un écoulement de compression est identique à celle mesurée dans une configuration classique de cisaillement simple. Dans la deuxième configuration, la suspension est comprimée entre une sphère qui sédimente sous l'effet de son propre poids vers une paroi horizontale. Des mesures de vitesse de sédimentation de la sphère ont été réalisées. L'influence des paramètres de la suspension, tels que le diamètre et la concentration des particules, ainsi que des paramètres géométriques, comme le rayon de la sphère et la largeur du réservoir, a été étudiée. Dans la région loin de la paroi, le principe fondamental de la dynamique nous a permis de prédire la vitesse de sédimentation de la sphère et d'en déduire la viscosité effective de la suspension, qui correspond à celle du cisaillement simple. Nous avons montré que la suspension se comporte comme un fluide effectif newtonien. La dynamique d'approche de la sphère dans la suspension s'écarte de celle qu'elle aurait dans un fluide newtonien. Proche de la paroi, on applique la théorie de lubrification. Cette théorie prédit que la vitesse de sédimentation de la sphère évolue linéairement avec la distance par rapport à la paroi horizontale, avec une vitesse nulle au contact avec la paroi. Dans le cas de la suspension, la vitesse de sédimentation de la sphère évolue de manière non linéaire avec la distance à la paroi. Nous avons également mesuré une vitesse d'impact de la sphère non nulle avec la paroi. Nous avons proposé une relation empirique pour la vitesse d'approche qui permet de regrouper toutes les données expérimentales sur une courbe unique dans toute la gamme des paramètres étudiés
The study of particle suspensions is crucial due to their omnipresence in various industrial and natural domains. Understanding their behavior enables us to improve processes such as the manufacture of composite materials, water treatment and the study of sediments and soils. Over the past two decades, the rheology of particle suspensions has been extensively studied in simple shear flows. Experiments have shown that the effective viscosity of an isodense, non-Brownian suspension increases with the particle volume fraction. The question posed in my thesis is whether rheological laws can be used to describe the behavior of particle suspensions in more complex configurations such as compression flows. We have experimentally investigated the behavior of suspensions in two compression flow configurations. In the first configuration, the suspension is compressed between a moving disk approaching a vertical wall at an imposed velocity. Local pressure measurements were carried out, varying the volume fraction of the suspension and the compression velocity. A theoretical framework was established, enabling the radial pressure difference in the compression flow to be related to the effective viscosity of the suspension, and thus measured indirectly. We have shown that the effective viscosity deduced by this approach in compression flow is identical to that measured in a conventional simple shear configuration. In the second configuration, the suspension is compressed between a sphere sedimenting under its own weight towards a horizontal wall. Sedimentation velocity measurements of the sphere were carried out. The influence of suspension parameters, such as particle diameter and concentration, as well as geometric parameters, such as sphere radius and reservoir width, was investigated. In the region far from the wall, the fundamental principle of dynamics enabled us to predict the sedimentation velocity of the sphere and deduce the effective viscosity of the suspension, which corresponds to that of simple shear. We have shown that the suspension behaves like an effective Newtonian fluid. The approach dynamics of the sphere in the suspension deviate from those it would have in a Newtonian fluid. Close to the wall, lubrication theory is applied. This theory predicts that the sedimentation velocity of the sphere evolves linearly with distance from the horizontal wall, with zero velocity at contact with the wall. In the case of suspension, the sedimentation velocity of the sphere evolves non-linearly with distance from the wall. We also measured a non-zero impact velocity of the sphere with the wall. We have proposed an empirical relationship for the approach velocity that allows all the experimental data to be grouped on a single curve across the entire range of parameters studied

La liberté de conception des composites peut être améliorée par la combinaison de préimprégnés continus et discontinus. Le formage d’un empilement préchauffé constitué de plis discontinus distribués et orientés de manière optimale peut mener à des défauts inacceptables tels que des plissements dans le plan et hors-plan, glissement de plis, rotation de plis adjacents, flexion de fibres induite par un écoulement de compression transverse et finalement une distribution des fibres inappropriée et inefficace. Ces phénomènes naissent de la liberté individuelle de déplacement et de déformation des plis discontinus à l’intérieur du moule pendant la phase de formage. Premièrement ce travail présente des expériences conduites afin d’identifier le comportement sous compression d’un empilement de préimprégnés visqueux discontinus unidirectionnels et tissés. Un modèle basé sur une approche fluide hétérogène visqueux isotrope transverse est ensuite développé en accord avec les observations expérimentales. Il est notamment montré que les différents phénomènes observés sont retrouvés numériquement pour les unidirectionnels et partiellement pour les tissés et que les valeurs prédites sont globalement en bon accord avec les mesures expérimentales. L’obtention de résultats réalistes nécessite une résolution en 3D avec un maillage relativement fin dans l’épaisseur. Finalement des méthodes numériques avancées sont mises en place afin de tenter de réduire le coût des simulations
The design freedom of composites can be improved by combining continuous and discontinuous prepregs. The forming of a pre-heated blank made of optimally oriented and distributed discontinuous prepreg plies may lead to unacceptable defects such as in-plane and out-of-plane wrinkles, sliding of plies, rotation of adjacent plies, bending of fibres induced by transverse squeeze flow and finally to inappropriate and inefficient fibre distribution. This arises because the individual discontinuous plies are free to move and deform in the mould during the forming step. First, this work presents some experiments conducted to identify the behaviour of a stack of unidirectional and woven discontinuous viscous prepregs subjected to through-thickness compression. Then a model based on a heterogeneous transverse isotropic fluid approach is gradually developped in agreement with the experimental findings. It is shown that the various observed phenomena are retrieved for the unidirectional and partly for the woven prepreg by the numerical model. The predicted values are in good agreement with measurements, when the problem is solved in 3D with a relatively fine mesh in the thickness. Finally an attempt is made to reduce the computational cost by the use of advanced numerical simulation techniques

Les phénomènes d’interactions choc/couche limite sont dimensionnants pour de nombreuses applications des domaines de l’aéronautique et du spatial. Ils peuvent être associés à la formation de décollements instationnaires à basse fréquence qui n’ont été étudiés jusqu’à présent qu’en géométrie plane. La présente étude vise à caractériser ce type d’interaction en configuration cylindrique. Un outil de simulation numérique directe,basé sur l’extension de schémas hybrides aux différences finies de haute précision (centrés optimisés6/WENO 5) en géométrie curviligne, a été développé et validé à travers divers cas test standards. Une première partie de l’étude se focalise sur l’influence d’un effet de courbure transverse sur le développement des propriétés d’une couche limite supersonique à Mach 3. Il est montré que l’augmentation de la courbure relative de la couche limite tend à réduire l’énergie de fluctuation à basse fréquence près de la paroi, tout en renforçant les perturbations à hautes fréquences dans la zone externe de la couche limite. En comparaison avec le cas plan, la courbure transverse induit une ré-organisation notable des structures de la couche limite et un comportement différent des invariants d’anisotropie des contraintes, mais ne conduit qu’à une légère modification des distributions de contraintes et de l’équilibre global d’énergie cinétique turbulente. Une seconde partie de l’étude se concentre sur la zone d’interaction avec une rampe de compression et le mouvement instationnaire du choc en géométrie de révolution complète. La déformation azimutale du choc est caractérisée dans son mouvement. Elle apparaît essentiellement associée à la fluctuation de la ligne de décollement et l’organisation des structures tourbillonnaires amont. Il est montré que l’énergie des modes azimutaux de pression pariétale fluctuante est plus amplifiée pour les modes d’ordre plus élevé. La contribution à l’effort latéral associé au mode 1 apparaît plus particulièrement marquée à basses fréquences dans la zone amont au point de décollement et à moyennes fréquences en aval de la zone de recollement sur la rampe où les niveaux les plus élevés de fluctuations sont observés. Il est montré que les fluctuations à basses fréquences sont en revanche portées par des modes azimutaux d’ordre de plus en plus élevé à travers la zone d’interaction
Shock wave/boundary layer interactions (SWBLI) are present in various aerospace engineering applications.They can be associated with separated regions yielding low-frequency unsteadiness, which have mainly been studied in planar geometries. The present study aims at characterizing this type of interaction in a cylindrical configuration. A direct numerical simulation solver has been developed and validated with various test cases. It is based on a high-order finite difference based hybrid schemes (6th order centered scheme/5thorder WENO), extended to curvilinear geometries. Transverse curvature effects on properties of spatially developing supersonic boundary layer at Mach 3 are first examined. It is shown that the increase of the relative curvature of the boundary layer tends to reduce the fluctuation energy at lower frequencies near the wall, while reinforcing the perturbations at higher frequencies in the upper zone of the boundary layer.In comparison with the planar case, the transverse curvature leads to a significant re-organization of the boundary layer structures and a subsequent modified behavior of the invariants of anisotropy turbulent stress tensor. It however only leads to slightly modified distributions of Reynolds stress and a rather similar overall balance of turbulent kinetic energy through the boundary layer. The second part of this study is dedicated to the unsteady motions of the shock/separation zone in a cylinder/compression flare configuration for which the full cylindrical geometry is taken into account. The shock distortions in the azimutal direction appears to be mainly associated to the organization of the upstream vortex structures and the subsequent azimutal fluctuations of the separation line. It is shown that the energy of the fluctuating wall pressure is more amplified for higher order azimutal modes. The contributions to lateral forces, associated to the first mode, are dominated by low-frequencies only upstream of the separation line in the intermittent region. They become more dominant in the middle frequency range downstream of the reattachment zone on the ramp. It is also shown that the low-frequency activity at the wall is progressively due to higher order azimuthal modes through the interaction zone

Cette thèse est consacrée à l’étude du mélange turbulent dans des écoulements à densité variable et à coefficients de transport non uniformes. Nous utilisons un nouveau code de simulation numérique directe (DNS) basé sur une décomposition bidimensionnelle du domaine, capable de prendre en compte la densité variable et les contributions diffusives. Dans un premier temps, nous considérons le cas de la turbulence dans les plasmas faiblement couplés en compression isotrope, qui peuvent subir une dissipation soudaine d’énergie cinétique due à la croissance du coefficient de viscosité par une augmentation de la température. Dans ce cas, en plus des DNS, nous utilisons un modèle spectral basé sur la fermeture Eddy-Damped Quasi-Normal Markovian. On démontre la sensibilité de l’écoulement aux conditions initiales pour une turbulence homogène isotrope et une couche sphérique turbulente. Dans ce dernier cas, nous trouvons aussi la première indication d’un effet de diffusion soudain. L’importance des conditions initiales est également mise en évidence par l’étude de la turbulence homogène stratifiée instable à densité variable. Si les contrastes de densité initiale sont suffisamment forts, les grandes échelles de l’écoulement sont modifiées avec pour conséquence la modification des lois d’échelle des états autosemblables. Enfin, nous considérons une configuration idéalisée d’implosion de fusion par confinement inertiel, avec des effets de densité variable et des coefficients de transport. Pendant la compression, nous mettons en évidence la compétition entre la diffusion moléculaire du plasma, qui est renforcée par l’augmentation de la température, et la diffusion turbulente, qui au contraire diminue en raison de la croissance de la dissipation visqueuse. Dans la dernière phase de l’implosion, nous mettons en évidence un processus de diffusion soudaine, où les couches de mélange sphériques en compression sont rapidement diffusées
This thesis is dedicated to the study of turbulent mixing in flows with variable density and non-uniform transport coefficients. We use a new direct numerical simulation (DNS) code based on a two-dimensional domain decomposition, capable of taking into account variable density and diffusive contributions. At first, we consider the case of turbulence in weakly-coupled plasmas under isotropic compression, which can experience a sudden dissipation of kinetic energy due to the growth of the viscosity coefficient due to temperature increase. In this case, in addition to DNS we use a spectral model based on the Eddy-Damped Quasi-Normal Markovian closure. We evidence the sensitivity of the flow dynamics to initial conditions for homogeneous isotropic turbulence and an inhomogeneous spherical turbulent layer. In the latter case, we find, also, the first hint of a sudden diffusion effect. The importance of initial conditions is also shown in the study of the variable density unstably stratified homogeneous turbulence. If the initial density contrasts are sufficiently strong, the large scales of the flow are modified with the consequent modification of the self-similar scaling laws. Finally, we consider an idealized configuration of inertial confinement fusion implosion, with both variable density and transport coefficients effects. During the compression, we evidence the competition between the plasma molecular diffusion, which is enhanced by the temperature increase, and the turbulent diffusion, which on the contrary decreases due to the increased viscous dissipation. In the last phase of the implosion, we highlight a sudden diffusion process, where compressed spherical mixing layers are quickly diffused

Cette étude a été motivée par la nécessité d'améliorer la connaissance et la maîtrise de l'aérodynamique interne des moteurs. Les enjeux sont grands, car les émissions et les rendements sont étroitement liés aux phénomènes de mélange macroscopique et microscopique dans le cylindre. On s'intéresse dans cette étude expérimentale, à un type d'écoulement particulier appelé rouleau. Généré à l'admission par le recul du piston, cet écoulement tourbillonnaire a comme principale caractéristique d'être perpendiculaire à l'axe du cylindre. Déstabilisé durant la compression, il évolue vers un régime pleinement turbulent au point mort haut. Ce travail a été mené à partir d'une expérimentation modèle : cylindre de section carrée, ce qui permet d'assurer un caractère bidimensionnel à l'écoulement en fin d'admission. De rapport volumétrique de compression nominal de 10, il offre de larges accès pour l'utilisation de moyens de diagnostic optique. Des résultats et des interprétations basés sur des mesures par ADL, PIV, et PIV rapide, nous ont permis d'une part, de suivre la structure de l'écoulement sur un cycle et de proposer un scénario de son processus de rupture. Nous montrons en particulier l'importance du confinement et la possibilité de développement d'instabilité elliptique sur l'axe du tourbillon. Au travers d'une analyse statistique des données, nous caractérisons de façon détaillée l'écoulement en terme de vorticité, de taux de rouleau et quantifions l'importance des variations cycle à cycle. Les fluctuations sont principalement amplifiées par le cisaillement produit par l'interaction du tourbillon avec les décollements qu'il induit aux parois. La déstabilisation du rouleau suivant son axe constitue également une source importante de fluctuations et se traduit par un transfert important de l'énergie cinétique moyenne vers une turbulence tridimensionnelle. L'intensité de turbulence est maximum à 40ʿ du vilebrequin avant le point mort haut puis chute rapidement. Les échelles intégrales longitudinales correspondent au 1/3 de la hauteur du volume mort à la fin de la compression

Le présent travail concerne l'étude du décollement de coin de compresseurs par des investigations expérimentaux sur le banc d'essai subsonique grille d'aubes situé au LMFA (Re = 3.8 x 105, M = 0,12, profil NACA 65-009). Habituellement, cette particulière séparation tridimensionnelle a lieu dans le coin entre l'aubage et la paroi du moyeu des rangées d'aubes, également dans les stators et les rotors.Les performances de l’étage sont ainsi dégradées à cause des pertes de charge et du blocage conséquent à la séparation de l’écoulement. Bien que les caractéristiques stationnaires sont bien connues par la littérature, uniquement des récentes études expérimentales avancées combinées aux améliorations de simulations numériques, telles que URANS et LES, ont permis de découvrir le comportement très instable du décollement de coin. Des études préalables sur le même banc d'essai ont rapporté un comportement intermittent du décollement, appelé comportement bimodal. Dans la présente thèse de doctorat, il est montré que le comportement bimodal correspond à deux états spécifiques du champ fluide: une séparation fermée, presque supprimée, et une séparation ouverte caractérisée par un blocage massif. Il est clair que cette commutation bimodale du décollement de coin apparaissant dans une machine réelle pourrait avoir un impact fortement déstabilisant. En utilisant la méthode de mesure PIV haute vitesse couplée à des mesures de pression résolues en temps sur la surface de l'aubage, l'écoulement d'un canal inter-aube a été étudié pour deux différentes incidences. Les mesures PIV fournissent pour la première fois des visualisations résolues en temps et étendues à toute la section de l'aubage de la variation bimodale du décollement. L'interaction des grandes structures aléatoires de la couche limite à l'amont avec le bord d'attaque de l'aubage déstabilise le front du décollement et agrandit la région de recirculation. Une séparation ainsi massive persiste jusqu'à ce que le blocage dans le canal inter-aube provoque la rupture des plus grandes structures constituant la zone de recirculation. Successivement le débit recommence à accélérer et la séparation est presque supprimée. Cette dynamique coïncide avec le régime d'écoulement hautement instationnaire et apériodique des diffuseurs, appelé large transitory stall, caractérisé par des grandes amplitudes d'énergie dans la gamme des basses fréquences du spectre. Des moyennes conditionnelles de pression et la décomposition orthogonale modale (POD) des champs de vitesse ont été appliquées pour montrer l'effet rétroactif du blocage induit par la séparation ouverte sur l'angle local au bord d'attaque. Ces résultats supportent l’hypothèse d'une instabilité auto-entretenue causée par la diffusion imposée dans le stator. En fin, des mesures de pression totale résolues en temps ont été effectuées en utilisant des capteurs à haute réponse en fréquence, situés à la même position dans les différents canaux adjacents. La cohérence et la linéarité de l'angle de phase trouvée entre les capteurs confirment que l'instabilité du décollement peut se propager d'un canal a l'autre, en analogie avec les perturbations tournantes (rotating instabilities) apparaissant dans les bancs d'essai annulaires. Ceci montre pour la première fois que, même dans une grille d'aubes linéaire de compresseur, l'instabilité intrinsèque du décollement de coin peut déclencher la propagation d'instabilités
The present work focuses on the study of the corner separation phenomenon in compressors carried out by experimental investigations on a subsonic linear cascade test rig (Re=3.8x105, M=0.12, blade profile NACA 65-009). Usually, this particular three-dimensional separation takes place in the corner between the blade and the endwall of compressor rows, mostly at hub, both in stators and rotors.Its main features are high total pressure losses and blockage of the flow, with consequent impacts on the efficiency. Whereas time averaged characteristics are well known from the past, only recent advanced experimental studies and improvements of numerical simulations, such as URANS and LES, have permitted to uncover the highly unsteady behavior of corner separation in compressors. Precedent studies on the same test rig have reported an intermittent unsteady behavior of corner separation, called bimodal behavior. In the present thesis it is shown that the bimodal behavior corresponds to two specific states of the flow: a closed separation, almost suppressed, and an open separation characterized by massive blockage and losses. Clearly hub-separation bimodal switches appearing in a real machine could have a first order detrimental effect on the stability of the flow in the compressor. By using high speed PIV coupled with unsteady pressure measurements on the surface of the blade the flow in a single blade passage has been investigated for different incidences. The PIV measurements provide, for the first time, time-resolved flow visualizations of the size switch of the separation with an extended field of view covering the entire blade section. The interaction of random large structures of the incoming boundary layer with the blade is found to be a predominant element that destabilizes the separation boundary and enlarges the recirculation region. Such a massive separation persists until the blockage in the passage causes the breakdown of the largest structures in the aft part of the blade, reestablishing the closed separation state. Such dynamics coincide with the aperiodic intermittent flow regime of diffusers, called transitory stall regime, and the associated Fourier spectra show the largest energy amplitudes in the low frequency range. Conditional ensemble averages of pressure and proper orthogonal decomposition (POD) of velocity fields have been applied to show the feedback effect of the blockage of the separation on the flow angle around the blade leading edge. These results draw the picture of a self-sustained instability caused by the diffusion imposed by the inter-blade passage. To answer the question about the interaction between adjacent corner separations, time-resolved total pressure measurements have been carried out by using high frequency response sensors positioned in bimodal points of multiple passages. The coherent propagation velocity and the linearity of the phase angle found between the signals confirm that the unsteadiness of the separation can propagate in pitch-wise direction. It is interesting to underline that equivalent elements characterize rotating disturbances appearing in annular test rigs. This finally shows that, even in an isolated stator blade row, the intrinsic unsteadiness of corner separation can start the propagation of instabilities. It is the first time that such a propagation effect is observed in a linear compressor cascade

La réduction de l’impact environnemental est aujourd’hui l’un des défis cruciaux de l’industrie aéronautique. La poursuite d’une moindre consommation des aéronefs a conduit à concevoir des systèmes propulsifs en géneral, et des étages de compression en particulier, toujours plus compacts et chargés. Cette tendance dans la conception des moteurs est directement responsable de l’accentuation du caractère instationnaire des écoulements internes ainsi que de la favorisation dans l’émergence de phénomènes entrainant la perte de stabilité. L’étude expérimentale, conduite pendant ce projet de thèse, porte sur la caractérisation des écoulements dans un étage de compresseur axial en phase émergente et stabilisée du décrochage tournant, grâce à des mesures instationnaires de pression pariétale et de vitesse. L’étude doit son originalité à l’utilisation et au développement de techniques de post-traitement non-standard. La transformée par ondelettes se révèle être un outil particulièrement intéressant à la détection de structures cohérentes de brève durée, telles que le précurseur de type « spike » ainsi que les caractéristiques instantanées d’une cellule de décrochage tournant. A côté de cette approche d’analyse d’un signal localisé, différentes procédures de calcul de champs en moyenne de phase ont été mises au point, chacune adaptée aux spécificités du phénomène étudié et de la procédure expérimentale suivie. Il a été ainsi possible de suivre l’évolution des caractéristiques du champ de pression du régime nominal jusqu’à l’installation du décrochage tournant. L’alignement de la trajectoire du tourbillon de jeu avec la section d’entrée du rotor est associé au déclenchement du décrochage par précurseur de type « spike ». La comparaison entre les champs en phase transitoire et en décrochage établi, amène à affirmer que le précurseur n’est que le stade embryonnaire d’évolution du phénomène du décrochage. L’approche a, en outre, permis d’apprécier la complexité de la structure « interne » de la cellule qui apparait comme la succession d’une phase de propagation de décollement, une zone fortement débitante à charge presque nulle et une phase de ré-attachement de l’écoulement
The reduction of the environmental impact is nowadays one of the crucial challenges of the aeronautic industry. The quest to lower the consumption of aircrafts has led to more compact and higher loaded engines in general, and especially compressor stages. This leads an increase of the internal flow unsteadiness and to the occurrence of unstable phenomena. The experimental study, performed during this work, concerns the characterization of flows in an axial compressor stage during both the emergence of rotating stall and its stabilized phase, by means of unsteady pressure and velocity measurements. The originality of the work proposed resides in the use and the development of non-standard data processing methods. The wavelets transform reveals to be an interesting tool for the detection of short coherent structures, like the spike-type precursor as well as the instantaneous features of a rotating stall cell. Beside this local approach, different procedures for phase-locked field measurements were developed, according to the specification of each studied phenomenon and the experimental proceedings. Thanks to these methods, it was possible to highlight the pressure field evolution until the development of the rotating stall regime. The alignment of the tip leakage vortex with the rotor inlet section forecasts a spike type stall onset. The comparison between transitional phase and fully developed stall fields conducts to assert that the precursor represent only the embryonic stage of the rotating stall evolution. This approach led to appreciate the complexity of the internal structure of the cell that appears to be the succession of stall propagation phase, zero-loaded high flow rate region and reattachment phase

Ce travail de thèse porte sur l’étude d’une interface eau-huile où a lieu une complexation de deux polymères. La phase aqueuse est une solution de microgels de polyacide acrylique réticulé (carbomer) et la phase organique comprend un polyélectrolyte possédant des fonctions amines (amodiméthicone). Cette interface polymérique permet la stabilisation d’émulsions directes dont la taille des gouttes atteint le millimètre. Les gouttes sont ici fabriquées une à une via une technique millifluidique, ce qui permet d’obtenir une émulsion calibrée. Ce procédé a été mis au point par la société Capsum afin d’encapsuler des parfums ou bien des principes actifs pour la cosmétique. L’adsorption et la complexation des polyélectrolytes à l’interface eau-huile sont tout d’abord caractérisées à l’aide de méthodes de tensiométrie, en statique et en dynamique. Les propriétés mécaniques de la membrane polymérique ainsi que son potentiel stabilisateur d’émulsions sont ensuite étudiés à l’échelle d’une collection de gouttes, en compression par gravité ou bien par centrifugation, ainsi que pour des gouttes uniques en écoulement dans un tube. Ces diverses approches expérimentales permettent de mettre en lumière différents régimes de stabilisation des émulsions en fonction des conditions physico-chimiques. Une observation majeure est que la quantité d’amodiméthicone contrôle l’ancrage du carbomer à l’interface ainsi que l’état fluide ou bien solide de l’interface et donc la stabilité de l’émulsion correspondante. De plus, lorsque la membrane est solide, c’est-à-dire lorsqu’il y a réticulation des microgels via l’amodiméthicone, un phénomène remarquable de propagation de la rupture de la membrane au sein d’une émulsion sous compression est révélé
This work focuses on the study of an oil-water interface where the complexation of two polymers takes place. The aqueous phase is a solution of cross-linked polyacrylic acid microgels (carbomer) and the oil phase contains a polyelectrolyte possessing amine groups (amodimethicone). The stabilization of an emulsion of millimeter-sized droplets is achieved with this polymeric interface. Designed by millifluidic, the droplets are made one by one and a calibrated emulsion of oil in water is obtained. The process was developed by the company Capsum, with the objective to encapsulate perfumes or active ingredients for cosmetics. First, we characterize the adsorption and complexation of the polyelectrolytes at the oil-water interface with both static and dynamic tensiometry methods. Then, we study the mechanical properties of the polymeric membrane along with its capacity to stabilize emulsions, at the level of a collection of droplets undergoing compression which is applied either by gravity or by centrifugation, and also at the level of single droplets flowing through a glass capillary. Thanks to those various experimental methods, and depending on the physico-chemical conditions, the different emulsion stabilization regimes are highlighted. A major observation is that the amount of amodimethicone controls the anchoring of the carbomer at the interface, setting the interface state from fluid to solid, and therefore the corresponding emulsion stability. Moreover, when the membrane is solid, that is to say when the microgels are electrostatically cross-linked with the amodimethicone, a remarkable propagation of membrane rupture within an emulsion undergoing compression is revealed

Etude expérimentale de l'influence de l'écoulement transversal sur les distributions du flux thermique et de la pression pariétale. Détermination des grandeurs caractéristiques de la zone de décollement. Etude de l'apparition de la transition dans la zone du décollement en fonction du nombre de Reynolds. Solution numérique pour la distribution de pression dans le cas de l'interaction laminaire

L'écoulement de compression peut permettre de caractériser le comportement rhéologique de fluides complexes, notamment en présence de fluides fermes, de fluides de structure fragile, ou de fluides présentant un caractère glissant aux parois. Ce test s'avère complémentaire aux appareils traditionnels de rhéométrie et trouve son intérêt dans la facilité de sa mise en oeuvre et dans la richesse des informations enregistrées au cours d'un essai. Cependant, le caractère non viscosimétrique de l'écoulement induit contribue à complexifier le traitement des données. Nos travaux visent à développer une méthode d'identification inverse du comportement rhéologique fondée sur une approche énergétique de l'écoulement, afin d'identifier les propriétés de fluides homogènes à seuil. Cette approche met en évidence la relation qu'il existe entre les paramètres caractéristiques de l'essai - effort de compression, vitesse, hauteur de l'échantillon -, les paramètres de la loi de comportement du fluide testé et un taux de déformations moyen. Cette relation permet de proposer l'estimation du taux de déformations moyen caractéristique du cisaillement moyen au sein de l'échantillon testé. Cette estimation est réalisée à chaque instant de l'essai en présupposant la forme de la loi de comportement du fluide. Notre choix s'est porté sur un modèle rhéologique simple et général : le modèle de Bingham dont les solutions analytiques des écoulements adhérent et glissant avec frottement sont construites. Le processus d'identification inverse de l'état de contrainte et de taux de déformation équivalent associé à chaque configuration du test est mis en oeuvre sous la forme d'algorithmes intégrant un calcul itératif. De tels algorithmes de calcul ont été développés de façon à construire point par point la courbe d'écoulement caractéristique du comportement apparent du fluide testé en présence d'un écoulement adhérent ainsi que son comportement tribologique dans le cas d'un écoulement glissant avec frottement. Le principe de la méthode inverse, ainsi que les algorithmes de calcul ont été testés et validés dans un premier temps en ayant recours à des données simulées de compression de fluides modèles en écoulement adhérent ou glissant. Dans un deuxième temps, les outils d'analyse ont été appliqués avec succès aux données expérimentales de compression de différents fluides, en étudiant l'influence de la configuration d'essai (tests à rayon et volume constant, variation de la vitesse de compression et de la hauteur de l'échantillon). Ces essais ont été réalisés sur un analyseur de texture commercial dont l'utilisation n'a pu être envisagée qu'après optimisation de son fonctionnement. Les résultats obtenus, confrontés aux données traditionnelles de rhéométrie, montrent la pertinence de la méthode inverse développée et en complètent la validation. Finalement, une optimisation des algorithmes de calcul est proposée.

The present work is a result of collaboration between the LMFA (Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique, Ecole Centrale de Lyon - France), Snecma and the Cerfacs. It aims at studying the flow in the 3.5-stages high-speed axial compressor CREATE (Compresseur de Recherche pour l'Etude des effets Aérodynamique et TEchnologique - rotation speed: 11543 RPM, Rotor 1 tip speed: 313 m/s), designed and built by Snecma and investigated at LMFA on a 2-MW test rig. Steady measurements, as well as laser velocimetry, fast-response wall static and total pressure measurements have been used to experimentally investigate the flow. The analysis focuses on two main aspects: the study of the flow at stable operating points, with a special interest on the rotor-stator interactions, and the study of the instabilities arising in the machine at low mass flow rates.The description of the unsteady flow field at stable operating points is done through measurements of wall-static pressure, total pressure and velocity, but also total temperature, entropy and angle of the fluid. It is shown that the complexity and unsteadiness of the flow in a multistage compressor strongly increases in the rear part of the machine, because of the interactions between steady and rotating rows. Therefore, a modal analysis method developed at LMFA and based on the decomposition of Tyler and Sofrin is presented to analyze these interactions. It is first applied to the pressure measurements, in order to extract the contributions of each row. It shows that all the complex pressure interactions in CREATE can be reduced to three main types of interactions. The decomposition method is then applied to the entropy field extracted from URANS CFD calculations performed by the Cerfacs, in order to evaluate the impact of the interactions on the performance of the machine in term of production of losses.The last part of this work is devoted to the analysis of the instabilities arising in CREATE at low mass flows. It shows that rotating pressure waves appear at stable operating points, and increase in amplitude when going towards the surge line, until reaching a critical size provoking the onset a full span stall cell bringing the machine to surge within a few rotor revolutions. The study of these pressure waves, and the understanding of their true nature is achieved through the experimental results and the use of some analytical models. A precise description of the surge transient through wall-static pressure measurements above the rotors is also provided, as well as a description of a complete surge cycle. An anti-surge control system based on the detection of the amplitude of the pressure waves is finally proposed.

Le présent travail s'inscrit dans le cadre d'une convention CIFRE entre Liebherr-Aerospace Toulouse SAS et le Département d'Aérodynamique Energétique et Propulsion (DAEP) de l'ISAE. L’étude porte sur l'analyse des mécanismes responsables de la perte de la stabilité d'un étage de compression centrifuge. L'objectif industriel sous-jacent est l'élargissement de la plage de fonctionnement stable des compresseurs. Les travaux sont abordés par voie numérique à l'aide du code de calcul elsA, développé par l'ONERA et le CERFACS. Les simulations instationnaires sont effectuées sur la circonférence complète des roues.La topologie de l'écoulement est analysée dans un premier temps selon trois points de fonctionnement stables répartis sur la courbe caractéristique de l'iso-vitesse de design. Cette analyse permet de décrire l'évolution des phénomènes lorsque le débit est réduit. Au voisinage de la ligne de stabilité, l'excès d'incidence sur les aubes du rouet déclenche le décollement de la couche limite sur la face en d’expression. Le guide issu de la zone décollée migre en direction du carter et alimente l'écoulement de jeu. En conséquence, le déficit de vitesse au voisinage du carter s'intensifie et un lâcher périodique de structures tourbillonnaires apparaît à l'interface entre les écoulements secondaires et l'écoulement principal.La perte de la stabilité de l'étage s’établit suite à la naissance d'une perturbation de type « modal » au sein de l'espace lisse. Cette dernière induit de fortes distorsions circonférentielles dans l'étage de compression mais affecte plus particulièrement l'écoulement à l'entrée du rouet. Sur la moitié de la circonférence, l'interface entre les écoulements secondaires et l'écoulement principal ainsi que les structures tourbillonnaires sont déplacées en amont du front de grille. Le taux total-total du rouet chute de manière brutale et entraîne la perte de la stabilité de l'étage.Enfin, la dernière partie de ce travail est dédiée à la mise en place de critères adaptés au modèle stationnaire mono-canal utilisé chez LTS. Ces critères seront utilisés pour améliorer la prédiction de la ligne de pompage en phase de design. Dans un premier temps, la pertinence de l'utilisation du modèle stationnaire au voisinage de la ligne de stabilité est évaluée. Dans un second temps, les influences de la vitesse de rotation et de la géométrie de l’étage sur la topologie sont étudiées.Deux situations sont jugées critiques vis-à-vis de la stabilité. La première concerne l'alignement de l'interface entre l'écoulement de jeu et l'écoulement principal avec le front de grille. La deuxième concerne l'opération du compresseur avec un angle d'écoulement en sur-incidence sur les aubes du diffuseur qui s'établit sur toute la hauteur de veine
This work results from a CIFRE partnership between Liebherr-Aerospace Toulouse SAS and the Aerodynamics, Energetics and Propulsion Department (DAEP) of ISAE. The main objective is to investigate the mechanisms responsible of the stall onset in a centrifugal compressor operating at the nominal rotational speed. It is part of a larger work which aims at extending the stable operating range of compressors integrated in air conditioning system. The analyses are based on the results of unsteady simulations, in a calculation domain comprising all the blade passages. They are performed with the elsA software developed by ONERA and CERFACS.The investigations show the modifications of the unsteady flow pattern when the mass flow is reduced along the speed line. Near the stability limit, the high incidence angle on the impeller blade leads to a boundary layer separation on the suction side. The fluid in the separation zone moves toward the shroud and enlarges the low momentum flow zone generated by the leakage flow. The interface between the leakage flow and the main flow becomes unstable to the extent of a periodic vortex 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 circumference. This perturbation induces distortions and alters the flow characteristics in every location of this subsonic stage, and more specifically the impeller inlet flow structure: the unstable interface between the main flow and the leakage flow is periodically moved upstream of the leading edge plane 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 line prediction during the design process in an industrial environment. Therefore, they are adapted to the numerical steady model using the mixing plane approach. To do so, the capacity of the steady model 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 steps have permitted to define two critical situations regarding the stage stability. The first one is related to the alignment of the interface between the main flow and the leakage flow with the leading edge plane. The second one concerns the compressor operation with positive incidence on the diffuser vane, along the full span

Cette thèse est le fruit d’un partenariat entre la société Johnson Controls et l’université Bordeaux1. L’objectif s’inscrit dans le cadre d’un projet de développement de pompe à chaleur innovante et est de développer un compresseur centrifuge à haute compression. Pour ce faire, un modèle numérique a été créé afin de simuler l’écoulement dans ce type de compresseur. Afin de respecter des impératifs industriels, une première géométrie a été établie par modifications itératives de divers paramètres et analyse des performances induites. L’écoulement a ensuite été étudié plus précisément, particulièrement pour mieux comprendre l’apparition des décollements. Enfin, une étude instationnaire de l’écoulement dans le diffuseur a été effectuée. Au delà des phénomènes physiques étudiés et appréhendés au cours de ce processus, c’est avant tout une méthodologie qui valorise ce travail
This thesis is the result of a partnership between the company Johnson Controls and the university Bordeaux1. The objective is part of a project to develop innovative heat pump and involves the design of a high head centrifugal compressor. To do this, a numerical model is created to simulate the flow in this kind of compressor. To observe industriel deadlines, a first geometry was established by iterative changes of various parameters in analysing induced effiencies. The flow was then studied further, especially to better understand the onset of flow separation. Finally, a study of unsteady flow in the diffuser was performed. Beyond the physical phenomena investigated and comprehended during this process, it is firstly a methodology that values this work

L’écoulement de jeu dans les compresseurs axiaux est étudié à l’aide de la Zonal Detached Eddy Simulation (ZDES). L’objectif consiste à évaluer la capacité de méthodes hybrides URANS/LES à simuler l’écoulement de jeu d’un compresseur axial réaliste afin de mieux comprendre la physique de cet écoulement, notamment son comportement au vannage ainsi que l’effet de sillages venant du stator amont sur le rotor aval. Après avoir choisi la méthode hybride ZDES, un banc d’essai numérique est défini afin de simuler le premier rotor du compresseur de recherche CREATE. Ce banc a la particularité de pouvoir prendre en compte les effets instationnaires venant de la roue directrice d’entrée (RDE), notamment son sillage ainsi que les tourbillons générés en pied et en tête. Basé sur des critères de maillage ZDES, il est utilisé pour évaluer cette méthode comparativement aux méthodes classiques RANS et URANS. La ZDES est validée par étape jusqu’à une analyse spectrale de l’écoulement de jeu se basant sur des données expérimentales. Elle s’est révélée capable de capturer plus précisément l’intensité et la position des phénomènes instationnaires rencontrés en tête du rotor, notamment le tourbillon de jeu. Les densités spectrales de puissance analysées montrent que cela est dû en partie à une meilleure prise en compte du transfert d’énergie des grandes vers les petites structures de l’écoulement avant leur dissipation. De plus, l’écart entre les approches s’accentue lorsque le tourbillon de jeu traverse le choc en tête. Proche pompage, les effets d’interaction entre le choc, le tourbillon de jeu, la couche limite carter et le tourbillon venant de la tête de la RDE sont amplifiés. Le décollement de la couche limite carter s’accentue et une inversion locale de l’écoulement est observée. De plus, le tourbillon de jeu s’élargit et est dévié vers la pale adjacente, ce qui intensifie le phénomène de double écoulement de jeu. L’interaction du tourbillon venant de la tête de la RDE avec le choc et le tourbillon de jeu du rotor est ensuite étudiée au point de dessin. Un battement du tourbillon de jeu est rencontré lors de l’interaction de ce tourbillon avec le tourbillon de tête de la RDE, ce qui diminue le double écoulement de jeu
The tip-leakage flow in axial compressors is studied with the Zonal Detached Eddy Simulation (ZDES). This study aims at evaluating the capability of hybrid URANS/LES methods to simulate the tip-leakage flow within a realistic axial compressor in order to better understand the involved physics, especially the behaviour of the flow near surge and the effects of stator wakes on the downstream rotor. Once the ZDES method is chosen, a numerical test bench is defined to simulate the first rotor of the research compressor CREATE. This bench takes into account the unsteady effects of the Inlet Guide Vane (IGV), such as its wake as well as vortices generated at the IGV hub and tip. It is based upon ZDES meshing criteria and is used to evaluate this method compared to classic RANS and URANS approaches. A method validation is carried out up to a spectral analysis compared to experimental data. The ZDES is capable to capture more accurately the intensity and position of the unsteady phenomena encountered in the tip region, especially the tip-leakage vortex. The power spectral densities highlight that this partly originates from a better capture of the energy transfer from large to small structures until their dissipation. The discrepancy between the methods is accentuated as the tip-leakage vortex crosses the shock. Near the surge line, the interactions between the shock, the tip-leakage vortex, the boundary layer developing on the shroud and the vortex generated by the IGV tip are amplified. The boundary layer on the shroud separates earlier and a local flow inversion occurs. Besides, the tip-leakage vortex widens and is deflected toward the adjacent blade. This strengthens the double leakage. At the design operating point, the interaction of the IGV tip vortex with the shock and the rotor tip vortex is studied. A vortex flutter is observed as the IGV tip vortex arrives on the rotor blade and stretches the rotor tip vortex. This phenomenon decreases the double leakage

Le matériau céramique que nous avons étudié est un nitrure de silicium obtenu par frittage naturel. Ce matériau biphase est constitué d'une phase principale correspondant à une solution solide de type Sialon et d'une phase secondaire cristallisée en grenat d'yttrium et d'aluminium après traitement thermique post-frittage. Le premier point de cette étude concerne la caractérisation mécanique du matériau à haute température avec une attention toute particulière à 1250 C. A cet effet, des essais de flexion 4 points, de traction et de compression ont été réalisés en utilisant la technique du dip-test. Ceux-ci ont mis en évidence un comportement viscoplastique, asymétrique en traction-compression avec apparition d'une contrainte interne lors du processus de déformation. Sur cette base expérimentale, une loi de comportement tridimentionnelle, viscoplastique, non associée, caractérisée par un critère d'écoulement de Drucker-Prager et une règle d'écrouissage cinématique, a été proposée. Le deuxième point concerne l'implantation de lois de comportement viscoplastique dans le code d'éléments finis Zébulon. Une formulation générale de ces lois a été définie dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles. La plasticité y est traitée comme un cas particulier de la viscoplasticité. Cette formulation permet d'écrire un programme standard prenant en compte le comportement non linéaire d'une grande variété de matériaux tels que les métaux, les alliages, les roches, les sols ou les céramiques. L'utilisation d'une méthode d'intégration implicite, appelée thêta-Newton, permet l'évaluation d'une matrice tangente viscoplastique

Dans le contexte économique et environnemental actuel, la prochaine génération de moteurs d'avion devra offrir opérabilité, compacité et hauts rendements. Les compresseurs demeurent une des pièces critiques de ces moteurs, et leur conception un challenge. À débit réduit, leur plage de fonctionnement est contrainte par la limite de pompage, phénomène hautement instable et dangereux. À ce jour, peu d'études expérimentales sur un compresseur en situation de pompage ont été réalisées, étant donné le danger inhérent pour les installations. Dans ce cadre, la simulation numérique peut apporter des informations sur le développement des instabilités aérodynamiques et aider à la prévision de la limite de pompage. L'objectif du travail présenté dans cette thèse est de mettre en place une méthode afin de simuler numériquement l'entrée en pompage et un cycle complet de l'instabilité avec le code elsA. Le cas test retenu est le compresseur de recherche axial multi-étage CREATE dessiné par Snecma, et étudié expérimentalement par le LMFA. Des études antérieures ont montré le rôle joué par les volumes entourant le compresseur ; l'originalité de cette étude réside donc dans l'inclusion des volumes du banc d'essai dans la simulation du compresseur. Une des difficultés inhérentes à la simulation de ces instabilités est leur temps caractéristique, qui représente plus d'une centaine de rotations de la machine. Le calcul a donc nécessité le recours à une approche massivement parallèle ; environ un million d'heures CPU ont été utilisées pour décrire le cycle. Enfin, compte tenu du retournement de l'écoulement dans le compresseur, les conditions aux limites ont été modifiées pour pouvoir s'adapter aux changements de sens de l'écoulement. La simulation a permis de décrire l'entrée en pompage et un cycle complet de l'instabilité. La comparaison avec les données expérimentales montre que les caractéristiques du cycle sont correctement prédites (phénomènes physiques précurseurs de l'instabilité, durée du cycle..). En parallèle, une étude acoustique a été menée afin de mettre en évidence les modes propres du banc d'essai. L'analyse de ces résultats a notamment montré le rôle de l'acoustique dans le déclenchement du pompage. Les différentes phases du cycle de pompage sont ensuite étudiées, et caractérisées (déclenchement, débit inversé, récupération et recompression). Ce travail a généré une base de données qui permet de mieux comprendre les instabilités qui se développent dans ce type de machine. À terme, ces résultats pourront être utilisés pour élaborer et valider des modélisations du phénomène de pompage moins coûteuses, pouvant intervenir dans un cycle de conception.

L’étude effectuée au cours de cette thèse a permis de caractériser numériquement les instabilités d’origine aérodynamique rencontrées dans un compresseur centrifuge dessiné par Turbomeca. Ce compresseur est composé d’une roue directrice d’entrée, d’un rouet centrifuge, d’un diffuseur radial et de redresseurs axiaux. Le module expérimental, dénommé Turbocel, sera accueilli au LMFA courant 2016. Le contenu de cette étude repose donc exclusivement sur des résultats numériques dont certains sont cependant comparés à des résultats expérimentaux partiels obtenus par Turbomeca sur une configuration proche. _ Le fonctionnement du compresseur est analysé à différentes vitesses de rotation, à partir de simulations RANS et URANS menées avec le code elsA. Du point de vue de la méthodologie, deux points importants sont à retenir :- Du fait du caractère transsonique de l’écoulement dans le rouet et le diffuseur radial à haut régime de rotation, les simulations RANS stationnaires ne permettent pas d’accéder à une description satisfaisante des phénomènes physiques. Cela est dû à l’utilisation d’un plan de mélange aux différentes interfaces rotor-stator qui a pour effet d’empêcher les ondes de choc de remonter à l’amont, et qui affecte tant la physique de l’écoulement que l’étendue de la plage de fonctionnement stable.- En-dessous d’un certain débit, les calculs URANS sur période machine révèlent que le comportement de l’étage n’obéit plus à la périodicité spatio-temporelle mono-canal. Une plage instable est alors obtenue à toutes les iso-vitesses simulées. A bas régime de rotation, une autre plage stable existe lorsque le compresseur est suffisamment vanné. L’étage retrouve alors une périodicité spatio-temporelle, à condition d’étendre le domaine de calcul dans le stator à deux canaux inter-aubes. En ce qui concerne les limites de stabilité de Turbocel, différentes évolutions sont décrites selon la vitesse de rotation considérée :- A haut régime de rotation, une basse fréquence commence à émerger près du point de rendement maximal et son intensité ne fait qu’augmenter jusqu.au pompage.- A bas régime, une signature basse fréquence comparable se manifeste près du point de rendement maximal mais disparaît passé un certain vannage, et n’est donc présente que sur une plage de débit délimitée. La seconde zone stable peut alors être numériquement parcourue jusqu.au pompage proprement dit. La signature basse fréquence est imputée à l’instauration d’une recirculation dans l’inducteur qui une fois établie est quasi-stationnaire. Les résultats numériques mettent en évidence que la source d’instabilité sévère sur Turbocel provient du diffuseur aubé. En fonction du point de fonctionnement, ce composant adopte des comportements différents, entre lesquels une certaine continuité existe, et ses performances chutent progressivement lorsque le débit diminue. Au final, les domaines de stabilité de l’étage de compression peuvent être reliés au type d’écoulement qui se développe dans le diffuseur radial, et apparaissent dictés par le diffuseur semi-lisse à haut régime de rotation. Enfin, afin d’étendre les plages de fonctionnement stable, une stratégie de contrôle basée sur l’aspiration de couche limite dans le diffuseur aubé a également été déterminée dans le cadre de cette thèse. Son évaluation fera l’objet d’études ultérieures sur Turbocel
The present study aims at characterizing the aerodynamic instabilities involved in a centrifugal compressor designed by Turbomeca, by means of numerical simulation. This compressor is composed of inlet guide vanes, a centrifugal impeller, a radial vaned diffuser and axial outlet guide vanes. The test module, named Turbocel, will be delivered to the LMFA in 2016. Thus, the results presented in this manuscript are only based on CFD, although some of them are compared to experimental results obtained by Turbomeca on a close configuration.RANS and URANS simulations are performed for several rotational speeds, using the elsA software.Two methodological key points are to be emphasized:- As the flow in both the impeller and the radial diffuser is transonic at high rotational speed, steady RANS simulations cannot provide a satisfactory description of the physical phenomena taking place. This can be explained by the use of the mixing plane approach which prevents shock waves to extend upstream the rotor-stator interfaces, and which impacts the flow field predicted as well as the prediction of the stable operating range.- Below a given massflow rate, URANS simulations covering the spatial period of the compressor prove that the stage behavior does not obey to the single passage spatio-temporal periodicity anymore. An unstable operating range then appears at all the simulated rotational speeds. At low rotational speed, another stable range is however obtained if the compressor is further throttled’ A new periodicity arises on this massflow range, provided that the stator domain is extended to two neighboring blade passages. Concerning the stability domains of Turbocel, different evolutions are obtained depending on the rotational speed:- At high rotational speed, a low frequency phenomenon starts to develop near the peak efficiency point and its intensity keeps increasing until surge happens.- At low rotational speed, a low frequency signature also appears near the peak efficiency point, but it then vanishes when the compressor is further throttled, so that only a restricted operating range exhibits this instability. It then gives rise to a second stable operating range which can be described numerically, ending with surge itself. The low frequency signature is attributed to the enhancement of a flow recirculation in the inducer which, once fully established, is quasi-steady. The numerical results underline that the source of severe instability in the compressor comes from the vaned diffuser. Depending on the operating point, this component can adopt different behaviors, between which a relative continuity exists, and its performances decrease when the massflow rate decresases. The overall stage performances prove that at high rotational speed, the global stability is driven by the semi-vaneless diffuser and depends on the flow developing in the radial diffuser. Finally, in order to extend the stable operating range of the compressor, a flow control strategy based on boundary layer suction has also been determined in the diffuser. Its impact on the performances of Turbocel will be deeply studied later on

Afin d'alléger les moteurs d'avions et diminuer la consommation de carburant, les industriels tendent à rendre plus compact le système de compression de leurs moteurs, qui représente environ 40% de la masse totale. Or, à taux de compression global égal, la réduction du nombre d'étages implique une charge aérodynamique plus élevée par étage. Cela augmente d'autant les risques de décollements sur les aubes et la dégradation des performances. L'aspiration de la couche limite sur les aubages s'est révélée très prometteuse pour supprimer ces décollements néfastes et satisfaire aux besoins de charge aérodynamique élevée. Cependant, l'aspiration modifie fortement la distribution de pression statique à la paroi des aubes, rendant les approches de conception traditionnelles inadaptées. L'objectif de ce travail de thèse est donc de proposer une nouvelle méthode et de nouveaux critères de conception d'aubages fortement chargés, intégrant l'aspiration de la couche limite. Cette méthode repose sur une stratégie d'aspiration en deux étapes. Dans un premier temps, un contrôle passif, par courbure et diffusion, de la position du point de décollement est effectué dans le but de la rendre insensible aux conditions de fonctionnement. Dans un second temps, un contrôle actif par aspiration vise à placer la fente d'aspiration par rapport au point de décollement de manière à minimiser le taux d'aspiration nécessaire au recollement de la couche limite. Afin de mettre en pratique cette stratégie, une technique de dessin d'aubages par prescription de la distribution de courbure de l'extrados et de la variation de section du canal inter-aubes, est ainsi développée. Associée à un outil de pré-dimensionnement rapide ainsi qu'une évaluation des pertes de pression totale incluant la présence d'aspiration, cette méthode permet ainsi de concevoir une grille de stator aspirée subsonique réalisant une déflexion fluide de 60 degrés, pour un nombre de Mach amont de 0,5, correspondant à un facteur de diffusion de 0,73. Cette performance au point nominal est obtenue avec un coefficient de pertes de pression totale de 2,5%, en aspirant 1,1% du débit entrant dans la grille. Ces valeurs peuvent néanmoins être réduites respectivement à 2,1% et 0,8% par l'emploi d'une fente d'aspiration à bords arrondis. Cette étude numérique bidimensionnelle est effectuée à l'aide du code de calcul elsA de l'ONERA. Afin de valider expérimentalement cette méthode de conception ainsi que les outils numériques associés, une grille d'aubes plane est construite et testée à basse vitesse au laboratoire de Mécanique de Fluides et d'Acoustique de l'Ecole Centrale de Lyon. A mi-envergure, les résultats issus de l'expérience et de simulations numériques 3D confirment la pertinence de la stratégie d'aspiration et la démarche de conception adoptée. Cette confrontation met alors en évidence l'impact de la distribution du taux d'aspiration suivant l'envergure sur l'efficacité de l'aspiration. Etant donné l'importance des écoulements tridimensionnels rencontrés, une généralisation en trois dimensions de la stratégie d'aspiration est proposée et est appliquée numériquement sur cette même grille d'aubes. En contrôlant simultanément les couches limites se développant sur l'aube et sur les parois latérales du canal de compression, il est alors possible de supprimer presque totalement les décollements de coins présents dans celui-ci. En contrepartie, le taux d'aspiration voit sa valeur augmenter très fortement, tempérant ce bénéfice. L'épaisseur des couches limites entrantes se révèle alors également être un facteur déterminant pour le succès du contrôle des couches limites par aspiration, dans un cadre tridimensionnel.