Tesis sobre el tema "Rotor/stator simulations"

Ce travail de these porte sur l'etude numerique des ecoulements transitionnels et turbulents dans une cavite confinee formee de deux disques coaxiaux dont l'un est en rotation uniforme autour de son axe de revolution (rotor), et l'autre stationnaire (stator). Les simulations numeriques sont effectuees sous l'hypothese d'axisymetrie de l'ecoulement instantane. On utilise alors un code de calcul parallelise integrant une decomposition de domaine. Plusieurs caracteristiques des ecoulements entre deux disques tournants sont reproduites : existence de couches limites sur les deux disques tournants, separees par un region centrale de l'ecoulement en rotation moyenne uniforme, caractere plus instable de la couche limite liee au disque fixe. L'existence d'un regime d'ondes inertielles a egalement ete mis en evidence dans le cur de la cavite lorsque l'ecoulement est turbulent dans la couche limite liee au disque fixe. L'etude des equations de transport des tensions de reynolds montre que la rotation modifie les distributions spatiales de certains termes intervenant dans les bilans associes a ces equations. Ils mettent egalement en evidence les limitations de l'hypothese d'axisymetrie qui modifie alors des caracteristiques intrinseques de la turbulence. Des simulations numeriques tridimensionnelles avec un code de calcul parallelise sont alors effectuees pour le regime d'ecoulement laminaire instationnaire. Ces premieres simulations ont montre que l'hypothese d'axisymetrie stabilisait l'ecoulement. Enfin, les resultats de simulation numerique sont confrontes a des resultats fournis par une modelisation de la turbulence de type k - et des resultats experimentaux. Les deux methodologies numeriques fournissent des resultats relativement proches concernant les distributions de vitesse moyenne.

Les recherches effectuées sur des écoulements turbulents dans des cavités interdisques ont permis de mettre en évidence l'importance des conditions aux limites. Ce présent travail a pour but de mieux comprendre les phénomènes qui régissent l'apparition de différents types d'écoulements observés dans une cavité rotor-stator non soumise à un flux radial forcé. Dans cette optique, un banc d'essais a été adapté pour étudier plus spécifiquement l'influence de deux paramètres géométriques, l'un lié à une faible différence entre le rayon des disques, l'autre relatif à la présence d'un carter permettant de supprimer l'écoulement produit par la paroi externe du rotor. La base de données constituée à partir de mesures effectuées principalement par anémométrie à fils chauds a été confrontée à des résultats de simulations numériques réalisés à l'aide du code de calcul FLUENT. L'analyse des résultats montre en particulier qu'à la périphérie du système, le fluide éjecté par l'effet centrifuge du rotor est nécessairement compensé par une injection provenant partiellement du fluide au repos situé à l'extérieur à la cavité, près du stator, et de la réintroduction du fluide éjecté par le rotor. La proportion entre ces deux sources, qui dépend étroitement des paramètres géométriques retenus, influe sur le niveau de pré-rotation du fluide en entrée de cavité et conditionne ainsi l'apparition des différents types d'écoulement observés, notamment l'écoulement en bloc de type Batchelor.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Mécanique : Lille 1 : 2006.
N° d'ordre (Lille 1) :3874. Résumé en français et en anglais. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 171-173.

La simulation d'écoulements dans des cavités cylindriques en rotation présente une difficulté particulière en raison de l'apparition de singularités sur l'axe. Le présent travail propose une méthode collocative pseudospectrale suffisamment efficace et précise pour surmonter cette difficulté et résoudre les équations 3D de Navier-Stokes écrites en coordonnées cylindriques. Cette méthode a été développée dans le cadre des différentes études menées au laboratoire M2P2, utilisant une méthode collocative de type Chebychev dans les directions radiale et axiale et Fourier-Galerkin dans la direction azimutale [thêta]. Pour éviter de prescrire des conditions sur l'axe, une nouvelle approche a été développée. Le domaine de calcul est défini par (r,[thêta],z)∈[-1,1]×[0,2π]×[-1,1] avec un nombre N pair de points de collocation dans la direction radiale. Ainsi, r=0 n'est pas un point de collocation. La distribution de points de type Gauss-Lobatto selon r et z densifie le maillage seulement près des parois ce qui rend l'algorithme bien adapté pour simuler les écoulements dans des cavités cylindriques en rotation. Dans la direction azimutale, le chevauchement des points dû à la discrétisation est évitée par l'introduction d'un décalage égal à π/2K à [thêta]>π dans la transformée de Fourier. La méthode conserve la convergence spectrale. Des comparaisons avec des résultats expérimentaux et numériques de la littérature montrent un très bon accord pour des écoulements induits par la rotation d'un disque dans des cavités cylindriques fermées
When simulating flows in cylindrical rotating cavities, a difficulty arises from the singularities appearing on the axis. In the same time, the flow field itself does not have any singularity on the axis and this singularity is only apparent. The present work proposes an efficient and accurate collocation pseudospectral method for solving the 3D Navier-Stokes equations using cylindrical coordinates. This method has been developed in the framework of different studies of rotor-stator flows, using Chebyshev collocation in the radial and axial directions and Fourier-Galerkin approximation in the azimuthal periodic direction [thêta]. To avoid the difficulty on the axis without prescribing any pole and parity conditions usually required, a new approach has been developed. The calculation domain is defined as (r,[thêta];,z)∈[-1,1]×[0,2π]×[-1,1] using an even number N of collocation points in the radial direction. Thus, r=0 is not a collocation point. The method keeps the spectral convergence. The grid-point distribution densifies the mesh only near the boundaries that makes the algorithm well-suited to simulate rotating cavity flows where thin layers develop along the walls. In the azimuthal direction, the overlap in the discretization is avoided by introducing a shift equal to π/2K for [thêta]>π in the Fourier transform. Comparisons with reliable experimental and numerical results of the literature show good quantitative agreements for flows driven by rotating discs in cylindrical cavities. Associated to a Spectral Vanishing Viscosity, the method provides very promising LES results of turbulent cavity flows with or without heat transfer

Ce travail s'inscrit dans un projet de recherche dont l'objectif est de proposer des simulations numériques en fluides (CFD) capables de capturer le bruit produit par les machines tournantes.Cette thèse, au sein de ce projet, à pour objectif d'étudier des méthodes d'adaptation de maillages (instationnaires) pour des écoulements turbulents instationnaires.On commence par décrire les outils nécessaires à nos études, à savoir les méthodes numériques, les modèles de turbulences et l'adaptation de maillages. Une première partie est consacrée à l'étude de l'algorithme d'adaptation de maillage instationnaire "Transient Fixed Point" appliqué à des écoulements turbulents autour de cylindres à différents nombre de Reynolds. Puis on étudie une méthode pour prendre en compte la rotation dans les simulations,que l'on couple avec les méthodes d'adaptation de maillage. Des exemples numériques sont proposés.Ces premiers travaux se heurtent à deux importants problèmes ouverts en CFD maillage-adaptative.Afin de choisir de manière optimale le pas d'avancement en temps implicite, on présente une nouvelle méthode d'adaptation de maillages espace-temps, qui permet d'adapter simultanément le maillage en espace et le maillage en temps. Afin d'adapter le maillage à la fois à l’écoulement moyen et aux grandes structures turbulentes, on propose une nouvelle approche d'adaptation de maillage pour la turbulence en calcul LES et hybride
This work is part of a research project aimed at proposing numerical fluid simulations (CFD) capable of capturing the noise produced by rotating machines.The aim of this thesis is to study mesh adaptation methods for unsteady turbulent flows. We begin by describing the tools required for our studies, namely numerical methods, turbulence models and mesh adaptation. The first part is devoted to the study of the "Transient" unsteady mesh adaptation algorithms applied to turbulent flows around cylinders at different Reynolds numbers. A method for taking rotation into account in simulations is then studied, and coupled with mesh the adaptation methods. Numerical examples are proposed.This initial work encounted two major unsolved problems in CFD mesh-adaptation. In order to optimally select the implicit time step, a new space-time mesh adaptation method is presented, which simultaneously adapts the space mesh and the time mesh. In order to adapt the mesh to both mean flow and large turbulent structures, a new mesh adaptation approach is proposed for turbulence in LES and hybrid computation

This thesis provides a numerical and theoretical investigation of transitional and turbulent enclosed rotating flows, with a focus on the formation of macroscopic coherent flow structures. The underlying processes are strongly threedimensional due to the presence of boundary layers on the discs and on the walls of the outer (resp. inner) cylindrical shroud (resp. shaft). The complexity of these flows poses a great challenge in fundamental research however the present work is also of importance for industrial rotating machinery, from hard-drives to space engines turbopumps - the design issues of the latter being behind the motivation for this thesis. The present work consists of two major investigations. First, industrial cavities are modeled by smooth rotor/stator cavities and therein the dominant flow dynamics is investigated. For the experimental campaigns on industrial machinery revealed dangerous unsteady phenomena within the cavities, the emphasis is put on the reproduction and monitoring of unsteady pressure fluctuations within the smooth cavities. Then, the LES of three configurations of real industrial turbines are conducted to study in situ the pressure fluctuations and apply the diagnostics already vetted on academic problems.

L'écoulement d'un fluide visqueux incompressible dans une cuve cylindrique rotor-stator est étudié. Ces écoulements ont fait l'objet de récents travaux numériques tridimensionnels pour des rapports d'aspect h>1,75. On propose une étude numérique de la rupture de l'axisymétrie de l'écoulement dans une cavité de rapport d'aspect réduit (h=1 et 1,5) et des nombres de Reynolds Re<8500. Les équations de Navier-Stokes sont résolues par un code vitesse-pression en coordonnées cylindriques qui repose sur des méthodes aux différences finies du second ordre. Deux approches numériques sont mises en œuvre pour mener cette investigation. L'une consiste à linéariser les équations autour d'un écoulement de base axisymétrique stationnaire. Les conditions initiales résultent de la superposition de l'écoulement de base et d'une perturbation aléatoire. Cette analyse de stabilité linéaire permet de déterminer le premier seuil de criticalité et met en évidence le mode azimutal kc le plus instable. L'autre consiste à intégrer les équations du mouvement avec différentes conditions initiales: (i) soit un écoulement de base axisymétrique stationnaire perturbé aléatoirement, (ii) soit un état où le fluide est au repos, (iii) soit un régime établi trouvé pour une autre valeur de Re. L'analyse de stabilité non-linéaire (i) montre que le développement d'un mode kc est responsable d'une bifurcation de Hopf super-critique lorsque Re dépasse une première valeur critique. L'écoulement de base bascule alors vers des solutions instationnaires de période T, dont les caractéristiques spatiales dépendent de la valeur de kc. L'axisymétrie de l'écoulement n'est brisée que lorsque kc est non nul. Dans ce cas, les solutions super-critiques sont des ondes qui exhibent une invariance par rotation d'angle 2pi/kc autour de l'axe et qui tournent avec une période azimutale TRWkc=kc*T. L'écoulement subit ensuite d'autres bifurcations et les caractéristiques spatio-temporelles des ondes tournantes bifurquées sont présentées en détails. L'utilisation d'autres conditions initiales (ii)-(iii) met en évidence des branches de solutions multiples: il apparaît que la convergence vers l'une ou l'autre des solutions possibles dépend de la façon dont est répartie l'énergie cinétique de départ.

Dans le cadre de la conception de turbo-machines aéronautiques, l'amélioration du rendement est assurée, entre autres, par la diminution du jeu fonctionnel entre les parties tournantes et statiques, telles que les roues aubagées et le carter qui les entoure. Cette stratégie a des conséquences sur le comportement vibratoire des turbo-machines en favorisant l'apparition de contacts structuraux entre les sommets d'aubes et le carter, par exemple. Lorsque plusieurs points de contact co-existent, des phénomènes d'interaction modale peuvent apparaître. La simulation de ces phénomènes, potentiellement dangereux, dans un cadre indutriel est au cœur de notre étude. Du fait de la dimension du problème à traiter, des méthodes de réduction modale sont utilisées : une méthode à interfaces fixes, la méthode de Craig-Bampton, et une méthode à interfaces libres, la méthode de Craig-Martinez. L'étude porte notamment sur la performance de ces méthodes de réduction lorsqu'elles sont associées à une non linéarité de type contact. Le phénomène d'interaction modale est tout d'abord étudié sur des modèles 2D simplifiés avec l'analyse de la sensibilité des régimes d'interaction à la taille des modèles réduits, puis sur les modèles 3D industriels pour lesquels la solution vraie n'est pas accessible. La gestion du contact dans le 3D fait appel aux B-splines bicubiques surfaciques afin d'assurer de meilleures propriétés à la surface de contact et de faciliter la résolution numérique. Les résultats obtenus à l'aide des deux méthodes de réduction modale sont comparés et permettent de déterminer la méthode la plus appropriée pour l'industrialisation du code présentée en annexe de ce mémoire.

Les phénomènes instationnaires dans les cavités rotor/stator sont connus pour être la source de dangereuses vibrations dans les turbopompes spatiales. Bien que plusieurs mesures palliatives aient été prises en comptes durant les phases de conception, des campagnes d’essais ont mis en évidence de fortes oscillations des écoulements internes pouvant menacer le moteur cryogénique des lanceurs. Aujourd’hui, l’origine de ce phénomène, appelé «bandes de pression », est peu compris et difficile à prédire numériquement. L’objectif de cette thèse est d’analyser les mécanismes physiques de ce phénomène afin d’apporter des solutions pour le contrôler. Pour répondre à cette problématique, deux types de configuration sont étudiés: une cavité rotor/stator annulaire et une cavité de turbopompe spatiale. Les couches limites tournantes dans ces cavités sont connues pour être 3D et réceptives à plusieurs types d’instabilités prenant entre autre la forme de spirales ou d’anneaux. Les simulations basées sur la moyenne de Reynolds (RANS) ont par le passé échoué à prédire ce type d’écoulement. Cependant, les Simulations aux Grandes Echelles (SGE) se sont avérées être une alternative à ce problème et sont donc été utilisées tout au long de cette thèse. Des Densités Spectrales de Puissance (DSP) ainsi que des Décompositions modales dynamiques (DMD) appliqués aux résultats SGE, ont permis de montrer que le phénomène de bandes de pression est visible également dans une cavité annulaire de type académique et composé de trois modes dictant toute la dynamique du système. Afin d’étudier les interactions de ces modes, une nouvelle méthode appelée Dynamic Mode Tracking/Control (DMT/DMTC) a été proposée durant cette these. La DMT est construite pour extraire des structures cohérentes dans une simulation SGE. De plus, en ajoutant un terme de relaxation dans les équations de Navier-Stokes couplées avec la DMT, sa variante appelée DMTC permet de contrôler et de suivre en temps réelle un ou plusieurs modes et donc de pouvoir analyser de possibles interactions. Appliqué à la cavité académique annulaire, cette méthode a permis de montrer que le mode basse fréquence est généré dans l’écoulement par le mode dominant du système. Pour aller plus loin, des analyses de stabilité linéaire de type global (GLSA), sont effectuées sur la cavité académique. Grâce à des méthodes adjointes, la GLSA a permis de mettre en avant l’origine spatiale de chacun des trois modes. Deplus, afin de mettre en place des stratégies de contrôle, la sensibilité à la modification de l’écoulement de base, obtenue par GLSA, a permis d’identifier la région à modifier pour stabiliser un mode donné ou décaler sa fréquence. Appliqué au cas académique, il est montré et que contrôler la couche limite du stator est le moyen le plus efficace de supprimer le phénomène de bandes de pression à travers des injections/aspirations. Pour finir, le phénomène de bandes de pression est analysé dans une cavité de turbopompe spatiale. En particulier, la sensibilité de ce phénomène aux changements géométriques est abordée à travers deux configurations: une première sans les aubes du stator de la turbopompe et une deuxième avec. Bien que les aubes génèrent un écoulement complexe, des fréquences similaires de fluctuation de pression sont retrouvées dans les deux configurations avec cependant des nombres azimutaux caractéristiques différents. En se basant sur les études faites sur la cavité académique, une version adaptée de GLSA pour la dynamique de la turbopompe permet de mettre en avant que malgré que le phénomène de bandes pression soit particulièrement présent dans la veine de la turbopompe, la source de ces modes se situe dans les cavités inférieures entre le rotor et le stator. De plus les résultats de GLSA mettent en avant que deux moyens de contrôle pourraient être appliqués pour supprimer le phénomène de bandes de pression dans ce cas industriel: modifier le joint d’étanchéité ou modifier la fuite du moyeu
Unsteady phenomena in rotor/stator cavity are well known to be the source of dangerous vibrations in space turbopump. Even though many palliative measures have been taken during their design, experimental campaigns often reveal high flow oscillations that can jeopardize turbomachinery components and even the rocket engine. Today, the origin of such flow instabilities usually called ’pressure band phenomenon’(PBP) is not well understood and difficult to predict numerically. The main goal of this thesis is to investigate such phenomenon mechanism to find technical solutions so as to control it. This problematic is addressed here trough two types of configuration: an academic rotor/stator cavity and a space turbopump cavity. When it comes to cavity flows, their rotating boundary layers are known to be three dimensional and receptive to several instabilities taking the form of spirals or annuli. Reynolds Averaged Navier-Stokes Simulations (RANS)failed to predict such unsteady systems. However, Large Eddy Simulation (LES) proved to be a relevant alternative in many similar applications and is therefore chosen for the present work. Using Power Spectral Analysis (PSD) and Dynamic Mode Decomposition (DMD) on LES predictions, one shows that the PBP is retrieved in an annular smooth rotor/stator cavity and it is composed of three modes driving all the system dynamics. To investigate these mode organization and their possible interactions, a new tool called Dynamic Mode Tracking /Control (DMT/DMTC) is introduced. DMT is constructed so as to extract "on-thefly" flow coherent structures with a given frequency on the basis of LES. Furthermore, augmenting the Navier-Stokes equations with a relaxation term coupled to DMT, DMTC allows to control and follow the evolution of a controlled mode as well as non controlled ones and thereby observe interactions. This strategy after validation is applied to the annular rotating cavity and shows that the low frequency mode is generated by the dominant mode of the system. To go further, Global Linear Stability Analysis (GLSA) augmented with adjoint methods is used to shed some light on all mode origins and points out that the low frequency and dominant modes are coming from the stationary boundary layer. In order to set up control strategies, the GLSA framework is further developed introducing the concept of the sensitivity to base flow modifications which gives the location where the flow should be modified if one wants to stabilize or at least shift a frequency mode. Applied to the academic cavity, one shows that contrary to most studies in the literature, controlling the stator boundary layer is the more efficient way to damp the PBP through suction/injection devices. Finally, gathering all the previous understanding of this flow, the LES framework enables to validate the control strategies proposed and to stabilize the PBP for very low suction amplitudes. To finish, the PBP is analyzed in real space turbompump cavities. In particular, the sensitivity of this specific phenomenon to geometry changes is investigated through two configurations: one without and one with the blades of the stator of the turbopump. Even though the introduction of the blades in the LES creates a more complex flow with the presence of shocks, similar pressure fluctuation spectra are retrieved in both configurations but with azimuthal wavenumber modes that are shifted. Following the studies on the academic cavity, an adapted GLSA to the non-linear dynamics of the turbopump enables to point out that even though the PBP modes are particularly marked in the mainstream of the system, the source of these modes is located in the subcavity in the rotor-stator wheel space. In particular, GLSA results indicate that two possible ways to control the phenomenon are possible: modifying the flow around the seal rim and or modifying the leak around the hub

L'écoulement instationnaire produit par le défilement des roues mobiles face aux roues fixes dans les turbomachines se caractérise par des échelles de temps et d'espace très variées. Numériquement, la prise en compte de ces effets nécessite de nouvelles modélisations. Ce travail a pour objectif une meilleure compréhension des mécanismes instationnaires dans les machines multiétagées. Pour s'affranchir de toute hypothèse restrictive sur les périodicités spatiales, les simulations numériques sont effectuées sur la circonférence complète de chaque roue. Pour l'étage isolé, on démontre que l'écoulement présente une périodicité spatio-temporelle qui est décrite par la décomposition en double série de Fourier de Tyler & Sofrin. Les modes spatiaux permettent de préciser l'interaction entre les grilles et un parallèle est fait avec la décomposition d'Adamczyk. La simulation numérique complète d'un étage et demi propose une extension de l'analyse des interactions en configuration multiétagées
Unsteady phenomena produced by the relative motion between fixed and moving rows in turbomachinery is caracterized by different scales in space and time. From the numerical point of view, taking into account those effets requires new models. The purpose of this work is a better understanding of the unstaeday mechanisms in a multistage turbomachinery. In ordre to cast of any restricting hypothesis over the spatial periodicities, numerical simulations are operated over the whole circumference of each row. In the single stage case, it is shown that the unsteady flow presents a phase-lagged periodic condition which may be described by the double Fourier decomposition proposed by Tyler & Sofrin. The spatial modes precise the interaction between rows and a comparison is made with the Adamczyk's decomposition. The numerical simulation of a one and a half stage brings an extension of the analysis of the interactions in a multistage machine

One of the major electrical faults of synchronous machines is an interturn short circuit in the stator winding, due to winding insulation failure. A synchronous machine is designed to have electrical and mechanical symmetry in the stator and rotor. An interturn fault in a synchronous machine damages the symmetrical property, thereby inducing abnormal symptoms like varying torque, mechanical vibration, and deviation of stator and rotor terminal currents from their usual waveform. This last symptom is what is studied in this thesis, as an indicator of the presence of an interturn fault. An interturn fault during machine operation can lead to a catastrophic machine failure and consequent long outage, unless it is rapidly detected and the machine shut down. Prevention of such outages is an important concern for machine owners and power system operators. That is why early detection of interturn faults is desirable to prevent such machine failure. Several external sensors can be implemented to detect such interturn fault, which is costly. That is why it is desirable if the interturn fault can be detected by analyzing the measured currents that already are available to a protective relay. In this thesis a simulation approach is presented to observe the pattern and frequency spectrum of rotor field current in presence of a stator inter turn fault. All simulations have been performed using Matlab-based programs written during this thesis work in the Electromagnetic department (ETK) in KTH. The outcome of the thesis is that in the presence of an interturn fault in the stator, several even harmonic components are found in the frequency spectrum of the rotor field current. The presence of these harmonics is not a definitive sign of an interturn fault, as almost the same even harmonics are found in the rotor field current if the stator winding asymmetry is taken into account.
En av de största elektriska felen i synkronmaskiner är en kortslutning mellan varv i statorlindningen, på grund av skadad lindningsisolering. En synkronmaskins konstruktion ger elektrisk och mekanisk symmetri i statorn och rotorn vilket ger en hög effektivitet. Ett varvfel i statorn skadar symmetrin och inducerar onormalt stora strömmarvilket leder till ett tidsvarierande vridmoment, mekanisk vibration, och onormala vågformer av strömmarna vid statorns och rotorns poler. Varvfel under maskinens drift kan snabbt orsaka stora skador, med följd av långa avbrottstider. Förebyggande av sådana avbrott är viktig hos maskinägare och systemansvariga. Därför är snabb detektering av sådana fel, och urdrifttagning av maskinen önskvärd för att minska skadan. Däremot ska detekteringen ha låg sannolikhet att lösa ut i onödan, av annat skäl. Externa sensorer kan användas för att upptäcka sådana fel, men det är tydligt önskvärt om detekteringen kan göras genom att analysera strömmarna som redan mäts av skyddsreläer för synkronmaskiner. I denna avhandling presenteras en metod för att simulera och observera mönster och frekvensspektrum av rotors magnetiseringsström i fall där statorn har varvfel, samt i andra fall som måste kunna skiljas från varvfel. Alla simuleringar har utförts med Matlab hos avdelningen för Elektroteknisk teori och konstruktion (ETK) i Skolan för Elektro- och systemteknik (EES) på KTH.

L'instationnarite de l'ecoulement au sein des turbomachines s'explique surtout par les interactions rotor-stator, lesquelles, presentes pour tous les regimes de fonctionnement, engendrent fatigue du materiel et nuisance acoustique. Les interactions d'aubage (de sillage, tridimensionnelle et potentielle) sont la source principale retenue d'instationnarite. Un modele numerique de l'interaction potentielle permet de souligner l'importance de deux parametres : la frequence reduite qui caracterise l'instationnarite de l'ecoulement, et le jeu entre la roue et le bec de volute qui modifie considerablement les amplitudes des fluctuations. La comparaison des resultats experimentaux et d'un calcul navier-stokes instationnaire de l'ecoulement au sein d'une pompe centrifuge revele la forte influence des conditions aux limites, notamment sur l'evaluation des fluctuations de pression. Nous proposons un calcul couple pompe-circuit pour ne plus fixer des conditions aux limites arbitraires. L'etude de l'ecoulement au sein du circuit est abordee grace aux equations d'allievi dont la modelisation, ainsi que la realisation de differents tests numeriques montrent combien le choix du schema des pertes de charge et la position des sources de fluctuation au sein des circuits sont importants. Une technique de couplage entre le code navier-stokes instationnaire et celui du circuit permet d'etudier differentes configurations machine-circuit, lesquelles confirment la necessite du calcul couple et temoignent de l'influence de la geometrie de la pompe et des conduites sur l'amplitude des fluctuations de pression au sein de la volute. Il est ainsi demontre que la pompe est source de fluctuation de debit, dont l'amplitude depend essentiellement de sa geometrie. Les resultats obtenus permettront de fournir aux numericiens des conditions aux limites adequates ainsi que de prevoir le comportement acoustique de la pompe en fonction de sa geometrie et de sa position au sein des circuits.

\Yith the current develop111ent in computer technology and Computational Fluid D)"n<'tlllics techniques, t.he si11utlation within axial flow compressors becomes 1110re and 1110re pract.ical and beneficial to the compressor designs. Due to the insufficient capabilit)" of today's COll1put.ers for three-dimensional unsteady flow 1110delling of 111Ult i~Llg(' axial flow compressors, sophisticated models of steady state flow and perfor111ance 1110delling of the C0111prcssors deserve to be thoroughly investigated. In l1utltistage C0111pressor sinlulations with steady state methods, frame of reference is fixed on blades and the c0111putational domains for rotors and stators haye relati\"e rotation. One of the difficulties in such simulations is how to pass information across the interfaces between blade rows without losing continuity. Two 111ajor stead)" state modelling approaches, a mixing plane approach based on Denton's circu111ferentially non-uniform mixing plane model and a deterministic stress approach based on Adamczyk's average passage model, are investigated and compared with each other through the flow predictions of the third stage of Cranfield Low Speed Research Compressor at peak efficiency operating condition. In the deterministic stress approach, overlapped solution domains are introduced to calculate deterministic stresses in order to "close" the time-averaged governing equation system and the influence of the downstream blade row of the blade row under investigation has to be imposed through the simulation of bodyforce and blade blockage effect of the downstream blade row. An effective method of simulating bodyforce and blade blockage effect has been developed and proven to be simple in programming. ConYentionally, boundary conditions are specified in CFD calculations based on experimental data or other empirical calculations. By taking advantage of the special flow features in rear stages of multistage axial flow compressors where each rear stage behaves like a repeating stage of its neighbouring stages in terms of flow pattern at the inlet and the exit of these stages, a repeating stage model has been developed aiming at significantly simplifying the boundary conditions when simulating rear stages of a multistage axial flow compressor with only mass flow rate and stage exit average static pressure required as global input. A computer simulation system 1'/ STurbo3D has been developed to investigate a11d assess different steady state simulation models within multistage compressor environment. It has been proven that with the mixing plane model M STurbo3D is able to predict flows in multistage low speed axial flow compressors with acceptable accuracy. Application of the repeating stage model to the third stage of LS RC shows that the prediction with this model has equivalent accuracy to the prediction with the conventional boundary setting, and proves that the repeating stage model is an effective alternative to the expensive complete compressor simulation. The deterministic stress model provides more information of rotor-stator interaction and slightly better performance prediction than the mixing plane model, but the benefits of the model is not significant when applied to low speed axial flow compressors.

Les motoristes aéronautiques souhaitent disposer de la représentation la plus fidèle possible du fonctionnement des propulseurs, dans une perspective d'amélioration continue de leurs performances. Les modèles numériques doivent donc intégrer au maximum les détails géométriques susceptibles d'influencer la physique de l'écoulement analysé. La prise en compte de tels effets technologiques s'avère difficile dans le contexte des solveurs structurés disponibles.Une stratégie hybride de prise en compte des effets technologiques fait coexister au sein d'un même domaine de calcul des zones structurées et non structurées. La flexibilité de génération d'un maillage non structuré permet une prise en compte aisée des détails géométriquement complexes tandis que la préservation de zones structurées dans une majeure partie du domaine de calcul permet de bénéficier de l'efficacité d'un solveur structuré. La présente thèse contribue au développement de cette stratégie hybride au sein du solveur elsA de l'ONERA en proposant des gains de précision et de robustesse par rapport à la version initialement développée pour établir la faisabilité et l'intérêt de l'approche. Après un état de l'art des techniques de discrétisation spatiale disponibles dans cette version initiale, différentes améliorations (techniques de moindres carrés, approche dite quasi-Green, méthode d'estimation des gradients aux faces) ont été analysées puis implémentées et validées sur des cas académiques. Le choix d'une stratégie hybride avec raccords coïncidents entre zones structurées et non-structurées conduit à des déformations de maillage dans la zone d'interface structuré / non-structuré qui ont exigé le développement supplémentaire de techniques d'amélioration de la robustesse (limiteurs physiques ou géométriques). Le solveur hybride rassemblant ces différentes fonctionnalités a permisde simuler avec succès des géométries d'aubes isolées dotées d'effets technologiques tels que congé de raccordement, trous de refroidissement, fentes de bord de fuite, cheminées internes d'alimentation. Enfin, une stratégie permettant l'utilisation de l'approche hybride en étage complet a été proposée et appliquée à la simulation hybride de l'interaction rotor/stator pour la configuration VKI-BRITE CT3, en stationnaire et en instationnaire, respectivement via une condition de plan de mélange et une condition de chorochronicité
The aerospace engine manufacturers wish to rely on the most accurate description of their propulsion systems in order to continuously improve their performance levels. Therefore, numerical models must include as much as possible geometrical details likely to impact the physics of the flow under study. Taking into account such technological effects turns out to be a difficult task when working with available structured solvers. A hybrid strategy takes advantage of structured and unstructured zones within the same computational domain in order to efficiently describe technological effects. Geometrically complex local details are easily accounted for thanks to the flexibility of unstructured grid generation while keeping structured zones in the remainder of the flow domain allows to benefit from the tried and tested structured solver efficiency. The present work contributes to the development of such a hybrid strategy in ONERA elsA solver and enhances accuracy and robustness with respect to the solver initially developed to establish the feasibility and interest of hybridization. Following a review of the space discretization techniques available in the initial solver, several improvements (least square techniques, quasi-Green approach, computation of face gradients) have been analysed, then implemented and validated for academic test-cases. The choice of a hybrid strategy with coincident matching between structured and unstructured zones leads to highly deformed cells in the structured / unstructured interface region, requiring the development of supplementary robustness improvement techniques (physics- or geometry-based limiters). The hybrid solver gathering these various options allows to successfully compute isolated blade geometries including technological effects such as blade fillet, cooling holes, trailing edge cutbacks, internal coolant supply channel. Finally, a structured / unstructured strategy has been proposed and applied to the hybrid simulation of a rotor/stator interaction for the steady and unsteady

Un nouvel algorithme de projection est developpe et mis en uvre avec les methodes spectrales de type collocation tchebyshev / fourier pour la resolution des equations de navier-stokes tridimensionnelles incompressibles. L'originalite reside dans l'introduction a chaque pas de temps d'un predicteur correct de pression consistant avec un champ de vitesse a divergence nulle. Une etape importante est consacree a la validation de l'algorithme. A partir d'une solution analytique instationnaire des equations de navier-stokes, on montre notamment que les solutions de vitesse et de pression calculees conservent l'ordre temporel du schema utilise (de type adams-bashforth/euler retarde du second ordre) et que la vitesse de glissement aux frontieres est reduite au troisieme ordre en temps. Le probleme classique de la cavite carree entrainee regularisee a egalement ete etudie pour confirmer l'efficacite de l'approche. Le code developpe est ensuite etendu a l'etude des regimes d'ecoulements tridimensionnels dans une cavite en rotation d'ensemble soumise a un flux force radial. En particulier, nous avons mis en evidence le developpement d'ondes en spirale dans les couches d'ekman, similairement aux etudes experimentales et theoriques anterieures. Les valeurs des parametres de controle ainsi que les valeurs caracterisant les instabilites observees indiquent qu'elles sont de type ii ou de classe a. Le code pourra servir ulterieurement de base pour aborder les regimes turbulents par la voie de la simulation directe. Une premiere incursion dans ce domaine a ete realisee sur la base de modeles statistiques avances au second ordre avec un code aux volumes finis. Plusieurs configurations de rotor-stator ont ete considerees completant ainsi l'etude menee en regimes d'instabilite de transition par une approche plus pratique des situations en regimes turbulents.

Les phénomènes physiques rencontrés en turbomachines sont généralement tridimensionnels et instationnaires. Une étude récente montre qu'une simulation stationnaire tridimensionnelle est capable de reproduire les phénomènes instationnaires moyennés en temps, si les équations du champ stationnaire intègrent des tensions déterministes. L'objectif de cette thèse est donc de développer un modèle pour les tensions déterministes instationnaires. L'analogie avec la turbulence permet d'écrire des équations de transport pour ces tensions. Les équations sont emplantées dans un code de calcul stationnaire et un modèle pour les flux d'énergie déterministes est également développé et implanté. Ce travail montre que la résolution d'équations de transport de tensions déterministes dans une simulation stationnaire permet de prendre en compte les effets instationnaires moyennés et n'augmente le temps de calcul que d'environ 30 %, ce qui reste très performant par rapport à une simulation instationnaire
The pysical phenomena observed in turbomachines are generally three-dimensional and unsteady. A recent stuyd revealed that a three-dimensional steady simulation can reproduce the time-averaged unsteady phenomena, since the steady flow field equations integrate deterministic stresses. The objective of this work is thus to develop an unsteady deterministic stresses model. The analogy with turbulence makes it possible to write transport equations for these stresses. The equations are implemented in steady flow solver and e model for the energy determinsitic fluxes is also developed and implemented. Finally, this work shows that a three-dimensional steady simulation, by taking into account unsteady effects with transport equations of deterministic stresses, increases the computing time by only approximately 30 %, which remains very interesting compared to an unsteady simulation

Résumé: Dans un turboréacteur civil à haut taux de dilution, l'étage de soufflante contribue significativement au rayonnement acoustique d'un avion en phase d'approche. La problématique de ce projet de recherche s'inscrit dans le cadre de l'amélioration des méthodes de prédiction du bruit tonal et large bande créé par l'interaction rotor-stator d'un étage de soufflante, afin de fournir des outils pour une conception silencieuse des avions. Une étude bibliographique conduit à choisir deux approches pour la prédiction du bruit de soufflante. D'une part, les modèles analytiques prenant en compte l'effet de grille sont adaptés à des études paramétriques dans un contexte industriel, mais font appel à plusieurs hypothèses simplificatrices. D'autre part, les méthodes numériques permettent de considérer des configurations réalistes au prix d'efforts de calculs importants. Les objectifs originaux consistent donc à évaluer des modèles avec effets de grille, à proposer des améliorations afin de les rendre plus fiables et à développer une nouvelle méthode numérique pour le bruit de turbomachine. Celle-ci repose sur des simulations aérodynamiques compressibles instationnaires dans lesquelles les sources acoustiques sont directement calculées puis rayonnées à l'aide d'une analogie acoustique. Dans le cadre du bruit tonal, des simulations instationnaires d'écoulement par la méthode des équations de Navier-Stokes moyennées (UftANS) sont réalisées sur des configurations simplifiées d'étages rotor-stator et sur un compresseur axial réaliste. Les sources acous-tiques déterministes créées par l'interaction des sillages moyens du rotor avec les aubes du stator sont correctement résolues, permettant l'application de la méthode numérique. Un modèle de grille est amélioré afin de prendre en compte une décomposition plus fine de l'excitation ainsi que les effets de cambrure de l'aube dans la prédiction des sources. Ces améliorations sont validées par comparaisons avec les résultats de la méthode numérique. Cette dernière s'avère très efficace pour la prédiction du bruit tonal lorsque les sources sont réparties sur la cambrure réelle des aubes puisque les effets pleinement 3D de la réponse du stator et de la géométrie des aubes sont inclus. Concernant le bruit à large bande, trois modèles avec effets de grilles sont évalués sur deux cas tests réalistes. L'effet de grille est significatif pour des stators avec recouvrement, à la fois sur les sources et sur la puissance rayonnée sur toute la bande de fréquences. De plus, un modèle avec une réponse de grille tridimensionnelle et une analogie acoustique en conduit fournit les meilleurs résultats relativement aux mesures. Par ailleurs, une simulation aux grandes échelles (LES) est effectuée sur le compresseur axial. L'interaction des sillages turbulents du rotor avec les aubes est correctement résolue et crée les sources acoustiques à large bande. La LES permet une meilleure compréhension des phénomènes physiques en vue d'une amélioration des modèles analytiques. Enfin, l'application de la méthode numérique fournit les spectres de puissances acoustiques et s'avère prometteuse.||Abstract: In a modern high bypass ratio turbofan engine, the fan stage significantly contributes to the acoustic energy radiated by an aircraft at approach conditions. This research project takes place in the framework of improving prediction methods for tonal and broadband noise created by the rotor-stator interaction in a fan stage in order to provide tools for quieter designs of aircrafts. A literature review leads to the choice of two approaches for the fan noise prediction. On the one hand, analytical models taking into account cascade effects are designed for parametrical studies in an industrial context although they use several simplifying hypotheses. On the other hand, numerical methods allow considering realistic configurations but are computationally demanding. Thus the original objectives of this work consist in evaluating cascade based acoustic models, in proposing modifications to improve their reliability, and in developing a new numerical method for turbomachinery noise. The latter is based on unsteady compressible aerodynamic simulations to directly compute acoustic sources that are then radiated with an acoustic analogy. For tonal noise studies, unsteady flow simulations using Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations (URANS) are performed on simplified rotor-stator configurations as well as on a realistic axial compressor stage. The deterministic acoustic sources created by the rotor wake interaction with the downstream stator vanes are correctly resolved, allowing the application of the numerical method. A cascade analytical model is improved in order to introduce a better decomposition of the excitation as well as vane camber effects in the acoustic sources prediction. These improvements are validated by comparisons with the results of the numerical method. The vane thickness is also seen to have a second order effect. Finally the developed numerical method is shown to be very efficient for tonal noise prediction with a distribution of sources following the mean vane camber line since the fully 3D effects of the stator response and of the vane geometry are included. In the broadband noise context, three cascade based analytical models are evaluated and compared to an isolated airfoil model on two realistic test cases. Cascade effects are found to play a major role both on the acoustic sources and on the acoustic power over the frquency band for overlapping vanes. A model including a tri-dimensional cascade response as well as an acoustic analogy within an annular duct provides the best results compared to measurements. Moreover a Large-Eddy Simulation (LES) is performed on the axial compressor. The turbulent rotor wakes interaction with the downstream stator vanes is correctly resolved and creates broadband acoustic sources. The LES allows a better understanding of physical phenomena in order to improve analytical models. Finally the application of the numerical method provides the acoustic power spectra radiated within the duct and appears to be promising.

L’amélioration des performances des turboréacteurs actuels est un enjeu crucial dans un contexte de contraintes économiques et environnementales fortes. Au sein du turboréacteur, le canal inter-turbines, localisé à l’interface entre la turbine Haute Pression (HP) et le premier distributeur Basse Pression (BP), est le siège d’écoulements très complexes. Ainsi, les structures aérodynamiques issues de la turbine HP (sillages, tourbillons et ondes de choc) interagissent fortement entre elles et impactent l’écoulement du distributeur BP, engendrant ainsi des pertes de rendement de l’ensemble de la configuration. Ce travail de thèse s’attache à étudier les phénomènes d’interactions aérodynamiques entre une turbine HP et le premier distributeur BP et à analyser les mécanismes à l’origine des pertes aérodynamiques dans le distributeur BP. Une campagne expérimentale antérieure, réalisée sur un banc d’essai comprenant une turbine HP couplée à un distributeur BP, avait permis de recueillir des mesures de l’écoulement dans des plans situés dans le canal inter-turbines et à l’aval du distributeur BP. En lien avec ces résultats expérimentaux, les simulations numériques menées dans cette étude avec le logiciel elsA s’attachent à restituer précisément la nature tridimensionnelle, instationnaire et turbulente de l’écoulement au sein de cette même configuration. Ces travaux se développent alors en trois étapes principales. Dans un premier temps, une étude stationnaire avec traitement plan de mélange permet de comprendre et quantifier les aspects généraux de l’écoulement. Une évaluation de l’effet de la modélisation turbulente RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) et du schéma numérique spatial sur les structures aérodynamiques présentes dans la configuration est réalisée. Dans un deuxième temps, une modélisation turbulente avancée de type ZDES (Zonal Detached-Eddy Simulation) est employée pour la résolution de l’écoulement dans le distributeur BP. Les structures aérodynamiques instationnaires issues de la roue HP amont sont modélisées par une condition limite à l’entrée du domaine de calcul. L’approche ZDES est comparée à une approche Unsteady RANS (URANS) sur la même configuration. La formation et la dissipation des sillages et des tourbillons est significativement différente entre les deux modélisations, ce qui impacte de manière importante la génération des pertes aérodynamiques. Enfin, des simulations URANS de plusieurs configurations permettent de mieux comprendre les effets d’interaction entre les différentes rangées d’aubes. Ainsi, les approches instationnaires chorochroniques prenant en compte un seul rotor et un seul stator évaluent des effets instationnaires importants dans le canal inter-turbines. Ces approches conduisent à la mise en oeuvre d’un calcul sur une configuration multipassages-chorochronique prenant en compte les deux stators et le rotor afin de modéliser complètement les interactions déterministes existantes. Afin de quantifier celles-ci avec précision, une décomposition modale du champ instationnaire est mise en place. Les niveaux d’interactions liées aux différentes roues sont alors quantifiés et l’impact sur les pertes aérodynamiques est évalué
Improving the performance of current aeronautical turbines is an important issue in a context of severe economical and environmental constraints. In a turbofan, the inter-turbine channel which is located between the High-Pressure (HP) turbine and the first Low Pressure (LP) vane is characterized by a complex flow. Therefore aerodynamic structures coming from the HP turbine (wakes, vortices and showkwaves) strongly interact between each other and affect the LP vane flow field. This generates efficiency losses of the overall configuration. This PhD thesis aims at studying the aerodynamic phenomena between a HP turbine and the first LP vane and at analyzing the mechanisms creating aerodynamic losses. A previous experimental campaign, which was carried out on a facility including a HP turbine coupled to a LP vane, enabled to gather flow field measurements in planes located in the inter-turbine channel and downstream of the LP vane. In comparison with these experimental data, the numerical simulations done with elsA software intend to reproduce accurately the 3D, unsteady and turbulent nature of the flow within this configuration. The work can be divided into three mains steps. As a first step, steady simulations with a sliding mesh treatment enable to understand the general aspects of the flow. An assessment of the effects of RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) turbulent predictions and of spatial numerical schemes on the aerodynamic structures present in the configuration is carried out. As a second step, the advanced turbulence approach ZDES (Zonal Detached-Eddy Simulation) is considered for the LP vane flow prediction. The unsteady aerodynamic structures coming from the upstream HP rotor are set as an inlet boundary condition of the computational domain. The ZDES approach is compared to a URANS (Unsteady RANS) approach on the same computational domain. The generation and dissipation of the wakes and vortices are significantly different on the two simulations, and thus impact the creation of aerodynamic losses. Finally, URANS simulations enable to better understand the interaction effects between the different blade rows. First, the unsteady phase-lagged approaches that take into account a single rotor and stator assess the important unsteady effects in the inter-turbine channel. They finally lead to the implementation of a multipassages phase-lagged computation that takes into account the two stators and the rotor in order to model all the existing determinist interactions. In order to quantify them accurately, a modal decomposition of the unsteady flow field is set up. The interaction levels linked to the different blade rows are therefore quantified and the impact of the aerodynamic losses is evaluated

AC motors are largely used in a wide range of modern systems, from household appliances to automated industry applications such as: ventilations systems, fans, pumps, conveyors and machine tool drives. Inverters are widely used in industrial and commercial applications due to the growing need for speed control in ASD systems. Fast switching transients and the common mode voltage, in interaction with parasitic capacitive couplings, may cause many unwanted problems in the ASD applications. These include shaft voltage and leakage currents. One of the inherent characteristics of Pulse Width Modulation (PWM) techniques is the generation of the common mode voltage, which is defined as the voltage between the electrical neutral of the inverter output and the ground. Shaft voltage can cause bearing currents when it exceeds the amount of breakdown voltage level of the thin lubricant film between the inner and outer rings of the bearing. This phenomenon is the main reason for early bearing failures. A rapid development in power switches technology has lead to a drastic decrement of switching rise and fall times. Because there is considerable capacitance between the stator windings and the frame, there can be a significant capacitive current (ground current escaping to earth through stray capacitors inside a motor) if the common mode voltage has high frequency components. This current leads to noises and Electromagnetic Interferences (EMI) issues in motor drive systems. These problems have been dealt with using a variety of methods which have been reported in the literature. However, cost and maintenance issues have prevented these methods from being widely accepted. Extra cost or rating of the inverter switches is usually the price to pay for such approaches. Thus, the determination of cost-effective techniques for shaft and common mode voltage reduction in ASD systems, with the focus on the first step of the design process, is the targeted scope of this thesis. An introduction to this research – including a description of the research problem, the literature review and an account of the research progress linking the research papers – is presented in Chapter 1. Electrical power generation from renewable energy sources, such as wind energy systems, has become a crucial issue because of environmental problems and a predicted future shortage of traditional energy sources. Thus, Chapter 2 focuses on the shaft voltage analysis of stator-fed induction generators (IG) and Doubly Fed Induction Generators DFIGs in wind turbine applications. This shaft voltage analysis includes: topologies, high frequency modelling, calculation and mitigation techniques. A back-to-back AC-DC-AC converter is investigated in terms of shaft voltage generation in a DFIG. Different topologies of LC filter placement are analysed in an effort to eliminate the shaft voltage. Different capacitive couplings exist in the motor/generator structure and any change in design parameters affects the capacitive couplings. Thus, an appropriate design for AC motors should lead to the smallest possible shaft voltage. Calculation of the shaft voltage based on different capacitive couplings, and an investigation of the effects of different design parameters are discussed in Chapter 3. This is achieved through 2-D and 3-D finite element simulation and experimental analysis. End-winding parameters of the motor are also effective factors in the calculation of the shaft voltage and have not been taken into account in previous reported studies. Calculation of the end-winding capacitances is rather complex because of the diversity of end winding shapes and the complexity of their geometry. A comprehensive analysis of these capacitances has been carried out with 3-D finite element simulations and experimental studies to determine their effective design parameters. These are documented in Chapter 4. Results of this analysis show that, by choosing appropriate design parameters, it is possible to decrease the shaft voltage and resultant bearing current in the primary stage of generator/motor design without using any additional active and passive filter-based techniques. The common mode voltage is defined by a switching pattern and, by using the appropriate pattern; the common mode voltage level can be controlled. Therefore, any PWM pattern which eliminates or minimizes the common mode voltage will be an effective shaft voltage reduction technique. Thus, common mode voltage reduction of a three-phase AC motor supplied with a single-phase diode rectifier is the focus of Chapter 5. The proposed strategy is mainly based on proper utilization of the zero vectors. Multilevel inverters are also used in ASD systems which have more voltage levels and switching states, and can provide more possibilities to reduce common mode voltage. A description of common mode voltage of multilevel inverters is investigated in Chapter 6. Chapter 7 investigates the elimination techniques of the shaft voltage in a DFIG based on the methods presented in the literature by the use of simulation results. However, it could be shown that every solution to reduce the shaft voltage in DFIG systems has its own characteristics, and these have to be taken into account in determining the most effective strategy. Calculation of the capacitive coupling and electric fields between the outer and inner races and the balls at different motor speeds in symmetrical and asymmetrical shaft and balls positions is discussed in Chapter 8. The analysis is carried out using finite element simulations to determine the conditions which will increase the probability of high rates of bearing failure due to current discharges through the balls and races.

La soufflante de la nouvelle génération de moteurs Snecma est caractérisée par des pales de rotor aux bords de fuite épais, ainsi que par un OGV hétérogène intégrant les bras supports.L’objectif de cette thèse est de caractériser l’influence de ces innovations technologiques sur la génération des sources et le rayonnement sonore dans la manche secondaire liés à l’interaction du sillage du rotor avec l’OGV. Ce mécanisme est principalement responsable des émissions tonales et à large bande qui sont traitées indépendamment. D’une part, une simulation URANS de l’étage rotor-stator fournit les sources déterministes sur le stator hétérogène ainsi que le champ sonore dans la manche traversée par les bras supports. L’extension de modèles acoustiques permet d’accéder au spectre de raies obtenu soit en propageant les sources par un modèle fondé sur le principe de l’analogie acoustique, soit directement à partir du champ sonore issu de la CFD. Il est alors montré que l’hétérogénéité du stator induit l’émergence de la raie du fondamental, et que les bras supports engendrent une onde stationnaire dans la manche secondaire.D’autre part, la simulation d’un canal complet du rotor avec une approche ZDES permet d’accéder aux perturbations turbulentes du sillage. Ces dernières alimentent un code acoustique fondé sur la théorie d’Amiet permettant de prévoir le bruit à large bande rayonné en conduit. Bien que plus coûteuse, la ZDES permet de s’affranchir des hypothèses restrictives et du calibrage délicat des modèles de turbulence homogène isotrope en fournissant des données directement exploitables, conduisant ainsi à des estimations plus précises.L’ensemble des simulations numériques et des prévisions acoustiques est validé grâce aux mesures issues d’une campagne d’essais au banc RACE
Modern turbofans are characterized by rotor blades with large chords, as well as heterogeneous OGV with mechanical struts integrated.The aim of this thesis is to characterize the impact of these technological innovations on sources generation and sound radiation in the bypass duct due to the interaction of the rotor wakes with the OGV. This mechanism is mainly responsible in tonal and broadband noise emissions which are dealt separately.On one hand, a URANS computation of the rotor-stator row provides the periodic sources on the heterogeneous stator as well as the sound field in the bypass duct crossed by the struts. The expansion of sound models allows to access to the tonal spectra obtained either by propagating sources thanks to a model based on the acoustic analogy principle, or by the sound field directly issued from the CFD. Then, it is shown that the stator heterogeneity induces the appearance of the fundamental tone, and that the struts lead to standing waves in the bypass duct.On the other hand, the simulation of a complete rotor channel with a ZDES approach provides the turbulent wakes. These erturbations feed an acoustic code based on the Amiet theory to predict the broadband noise radiated in the bypass duct. Despite the cost, ZDES stays clear of restrictive assumptions and sensitive calibration of isotropic homogeneous turbulence models by providing data directly workable, leading to more accurate predictions. Each of numerical simulations and acoustic predictions is validated thanks to the measurements performed in the RACE test rig

La thèse réalisée s’inscrit dans le cadre du projet de Labcom DrilLab entre le LaMCoS UMR 5259 – INSA Lyon et la PME DrillScan dont l’objectif de développer des modèles non linéaires pour simuler le comportement dynamique de train de tiges de forage pour l’extraction pétrolière et l’exploitation géothermique. La compréhension et la maîtrise du comportement vibratoire des éléments en rotation améliorent la vitesse de pénétration et réduisent le MTBF, le temps moyen entre deux défaillances. Dans cette thèse, le train de tiges est modélisé par des éléments finis de poutre droite en prenant en compte des couplages axial/torsion- flexion, des interactions tige-puits, fluide-structure. L’effet de la trajectoire 3D du puits provoquant l’état pré-chargé initial du train de tiges est considéré par le calcul du parcours : la tige en position initiale verticale est ramenée à la ligne neutre du puits en utilisant la méthode co-rotationnelle. La position d’équilibre quasi-statique du train de tiges confiné dans le puits sous des actions de la gravité, du poids et du couple sur l’outil, du fluide pulsé et des réactions de contact est obtenue par la méthode itérative Newton-Raphson. Les analyses modales, le diagramme de Campbell, et les réponses dynamiques non linéaires sont investigués à partir de cette position d’équilibre initial du train de tige dans le puits. Les réponses dynamiques sous différentes sources d’excitation (de balourd, harmonique, asynchrone, transitoire, etc.) peuvent être obtenues par la résolution du système des équations dynamiques non linéaires à l’aide du schéma numérique de Runge-Kutta d’ordre 4 avec un pas de temps adaptatif pour réduire significativement le temps de calcul. Afin de suivre le comportement dynamique de tout le train de tiges qui peut atteindre en réalité quelques kilomètres de longueur, la technique de réduction de modèle de type Craig-Bampton est mise en œuvre. Ainsi, la rapidité de simulation dynamique du modèle proposé dans cette thèse est bien améliorée. La modélisation développée a été implémentée dans un outil de simulation (DrillSim – Drilling Simulation) dans le cadre du projet DrilLab
This research work is a part of the Labcom DrilLab, a joint laboratory between the LaMCoS UMR 5259 - INSA Lyon and the SME DrillScan, in the framework of the ANR-SME program. DrilLab’s objective is to develop the nonlinear models to simulate the dynamic behavior of drillstring for the oil extraction and geothermal exploitation. Understanding and controlling the vibratory behavior of the rotating elements improves the rate of penetration and reduces the mean time between two failures. In this thesis, the drillstring is modeled with straight Timoshenko beam finite element accounting axial-flexion and torsion -flexion couplings, drillstring-well and fluid-structure interactions. The effect of the 3D trajectory of the well causing the initial pre-loaded state of the drillstring is considered by the path calculation: the drillstring in vertical initial position is forced to correspond to the borehole axis using the co-rotational formulation. The quasi-static equilibrium position of drillstring confined in the well under the actions of gravity, weight and torque on bit, pulsed fluid and contact reactions is obtained by the iterative method Newton-Raphson. Modal analysis, Campbell's diagram, and non-linear dynamic responses are investigated from this initial equilibrium position of the drillstring in the well. The developed fluid model is adapted to the 3D curve of the drillstring and considers the eccentric annular drillstring-well clearance. Dynamic responses under different excitation sources (unbalance, harmonic, asynchronous, transient, etc.) can be obtained by solving the system of non-linear dynamic equations using the Runge-Kutta numerical scheme of order 4 with an adaptive time step to significantly reduce the calculation time. In order to follow the dynamic behavior of the entire drillstring that can actually reach a few kilometers in length, the Craig-Bampton reduction technique is implemented. Thus, the dynamic simulation speed of the proposed model in this thesis is much improved. The developed modeling has been implemented in the developed computer code DrillSim - Drilling Simulation. Finally several well configurations are simulated for predicting their nonlinear statics and dynamics responses

碩士
國立清華大學
動力機械工程學系
90
In the present study, large eddy simulations with Van Driest damping function is used to predict wall bounded channel flows and rotor-stator cavity flows. The numerical procedure is based on the finite volume approach with staggered grid arrangement. The spatial and temporal schemes adopted are center differencing and ADI, which are second order accurate. One of the major efforts of the present research is to parallelize the LES programs. In the present parallel implementation, the single program multiple data (SPMD) environment is adopted. The target machines are a 16-node IBM SP2 (power 2), a 16-node IBM SMP (power 3) and a 32-node PC clusters. Linear or even super linear results are obtained for the large problem size using IBM SP2 and SMP machines. The scalability of the PC cluster is not compatible with the IBM machines. However, the PC clusters does provide a cost effective way of scientific computations. The fully developed channel flows with Reynolds number of and the rotor-stator cavity flows are adopted to examine the capability of the LES scheme. The results are examined by comparing the predicted flow quantities with DNS data and available measurements.

碩士
國立清華大學
動力機械工程學系
91
The main focus of the present work is to explore the effects of the dynamic model in large eddy simulations. Application is first applied to the fully developed channel flow with Reynolds number at . It was found that the dynamic model is more sensitive to the grid density compared to that using the van Driest damping. Both the sub-grid models with van Direst damping and the dynamic model predict the mean and turbulence quantities well by comparisons with the DNS data. The viscous sub-layer is adequately resolved by the models. However, the dynamic model does predict a lower level of turbulence intensity at the central core of the channel. For rotor-stator flow, the internal structure is induced by the diffusive transport of the tangential momentum from the rotor into interior. A secondary flow exits within the rotor-stator cavity. The instantaneous azimuthal vorticity contours show stretching and elongated structure in the tangential direction. Near the rotor, the vorticity structure is more coherent; but near the stator the vorticity structure is more chaotic. Comparisons with the available measured data, both models show good results, though there are some discrepancies across the Ekmann layers.

碩士
中原大學
化學工程研究所
106
Rotor-stator spinning disc reactor (RS-SDR) is a novel equipment which has high heat and mass transfer efficiency for process intensification. In this study, the characteristics of hydrodynamics of the device were investigated by simulation. A commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) software, Fluent 14.0, was used in the simulation. The simulation results were compared with the experimental results in references to confirm the reliability of the CFD model. The influences of the rotor-stator distance, the rotational speed, and liquid flow rate were investigated. The results showed that both the radial and the circumferential velocities increased with increasing the rotational speed and the liquid flow rate. Likewise, the pressure drop increased as the liquid flow rate and the rotational speed increased. Next, the influence of the rotational speed, the liquid flow rate, the gas flow rate, and the size of cavity zone were investigated in the two-phase flow system. According to the result, two types of liquid flow, i.e., slug flow and film flow, were found in the upper channel of the RS-SDR. Because of high centrifugal force, the accumulation of gas can be reduced in the cavity zone and small gas bubbles size were generated between the rotor and the bottom stator. Besides, the simulation results of the flow behavior of liquid and the pressure drop were compared with the experimental results in references under the same operating conditions. Even though the simulated pressure drop is higher than that in reference, the trends of the simulated pressure drop and velocity distribution were similar to the experimental ones. Finally, several designs of RS-SDR were tested. The results showed that the accumulation of gas in cavity zone can be effectively decreased by using perforated disc which contributes to easily forming small gas bubbles in the bottom channel. According to the experimental results, the optimization design of the RS-SDR is capable of being investigated in the future work.

In this thesis, a numerical approach based on a potential flow method has been developed in order to simulate unsteady rotor/stator interaction, and to predict the unsteady performance of a propeller and its rudder. The method is first developed and tested in two-dimensions by using a boundary element method in which a front hydrofoil is moving downward, while a back hydrofoil is stationary. The wakes of the two hydrofoils are modeled by continuous dipole sheets and determined in time by applying a force free-condition on each wake surface. The wake/hydrofoil interaction is de-singularized by applying a numerical fence on the surface of the back hydrofoil. The viscous wake/hydrofoil interaction is considered by employing a viscous wake vorticity model on the rotor's wake surface. The present method is validated by comparison with analytical solutions, experimental data and by using the results from a commercial Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) solver for the same set-up and conditions. The numerical approach is further extended to three-dimensions to predict the mutual interaction between a propeller and rudder. A fully unsteady wake alignment algorithm is implemented into a Vortex Lattice Method to simulate the unsteady propeller flow. The interaction between propeller and rudder is investigated in a fully unsteady manner, where a panel method is used to solve the flow around the rudder, and a vortex lattice method is used to solve the flow around the propeller. The interaction between a propeller and its rudder is considered in an iterative manner by solving the propeller and the rudder problems separately and by including the unsteady effects of one component on the other. The effect of the unsteady propeller-rudder interaction on the mean and on the unsteady propeller/rudder performance, including sheet cavitation on the rudder, is studied.
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碩士
逢甲大學
航太與系統工程所
95
This study used computational fluid dynamics (CFD) software, Fluent®, to simulate the heat transfer and ingress phenomena of rotor-stator disk systems with different rim seal geometry. The key parameter of this research including rim seal geometry, rotation speed of rotating disk (Req), and superimposed airflow rate (Cw) are the detailed discussion of influence of the field characteristic flows to rotary table system in it. The numerical results are verified very well with existing experimental data, produced by indigenous rotating disk system with radial clearance configuration, in terms of static temperature distribution on rotating disk and the Nu value and the h value distribution on rotating disk. Through originally discoveries, Req and Cw field characteristic for flowing fail to agree, when namely increase Req or reduce Cw, its change of a structure for flowing is quite similar. And with the increase of Req and Cw, the upper reaches stator is a phenomenon of soaring with Nu value on downstream rotor plate gradually. Nu value of swimming on the rotor plate as follows is comparatively obvious. As the results, the stability of flow structure can be sustained to delay ingestion by appropriate rim seal.