EXPÉRIENCES ET SIMULATIONS AVANCÉES D ÉCOULEMENTS COMPLEXES DANS LES TURBOMACHINES – AXIOOM

Les nouvelles réglementations concernant les émissions de gaz à effet de serre ainsi que les nouvelles politiques de réduction de bruit, requièrent de nouveaux outils d’optimisation fiables et précis pour la conception des propulseurs aéronautiques. Une des principales sources de pertes dans les turbomachines dérive des écoulements secondaires générés à la fois en tête et en pied de pales, et en particulier des écoulements de jeu et des écoulements décollés de coin. De tels écoulements sont connus pour être complètement tridimensionnels et fortement intermittents et ne peuvent être abordés avec les outils utilisés classiquement pour la conception des turbomachines, comme les codes CFD de type RANS, en particulier pour les points de fonctionnement proches de la limite d’instabilité. Afin de comprendre, prédire, contrôler et éventuellement réduire ces écoulements secondaires ainsi que le bruit qui en résulte, il est primordial d’étendre les nouvelles techniques instationnaires CFD, telles que la LES, aux géométries complexes rencontrées dans les turbomachines. Malheureusement, de nombreux modèles LES de sous maille standards (comme le bien connu modèle de Smagorinski) sont défaillants pour prédire correctement les écoulements de paroi. La plupart de ces modèles supposent l’écoulement complètement turbulent, ce qui n’est pas nécessairement le cas pour tous les régimes de fonctionnement de la machine. Parmi les modèles évolués LES qui essaient de surmonter toutes ces difficultés, le modèle ReDLES développé par le partenaire français semble prometteur pour des applications turbomachines.
Partant du principe qu’une prédiction précise et une compréhension en profondeur des mécanismes physiques sous-jacents est un prérequis au contrôle et à la réduction des écoulements secondaires, l’objectif du projet est double. Le premier objectif est clairement de développer une méthodologie précise de prédiction des écoulements décollés mentionnés précédemment, par l’utilisation de méthodes numériques avancées. Ainsi, des efforts seront entrepris pour valider cette méthodologie en la confrontant à trois expériences dédiées, sur trois configurations de complexité croissante relevant du domaine des turbomachines. Le second objectif est d’atteindre une meilleure compréhension des écoulements instationnaires fortement intermittents présents dans ces cas test sélectionnés. Les trois configurations test comprendront des écoulements de jeu, des décollements de coin ainsi que des interactions de ces deux phénomènes, respectivement sur un profil isolé, une grille d’aubes et un banc de compresseur mono étage. Le partenaire français réalisera des expériences sur le profil isolé et la grille d’aubes, tandis que le partenaire chinois mènera une expérience à plus grande échelle sur un banc de compresseur de laboratoire. Des techniques de mesures avancées comme la PIV résolue en temps et des mesures de pression instationnaire en paroi, seront associées à des techniques de traitement de données non conventionnelles comme des analyses par corrélations croisées. Une attention particulière sera accordée à la définition des conditions aux limites pour les simulations numériques. Les calculs, qui seront menés par le partenaire français sur les trois configurations, devront montrer jusqu’à quel degré de complexité peuvent être étendus les calculs CFD instationnaires les plus en pointe et quel degré de précision peut être attendu. D’autre part, les résultats expérimentaux et numériques donneront un nouvel éclairage sur les mécanismes physiques mis en jeu dans les écoulements secondaires. De plus, la base de données, qui sera disponible pour la communauté scientifique, fournira des informations inestimables à la fois à des fins de modélisation et pour le développement et la validation de codes de calcul. Enfin, ce projet promouvra la coopération sino-française dans le domaine scientifique aérospatial.