ANR-DFG - Appel à projets générique 2020 - DFG

Influence des effets de gaz réel sur les mécanismes de perte dans des écoulements de turbines ORC – REGAL-ORC

Influence des effets de gaz réel sur les mécanismes de perte dans les turbines ORC

Les systèmes de production d'énergie basés sur le cycle organique de Rankine (ORC) ont un grand potentiel pour la récupération de la chaleur résiduelle et la production d'énergie respectueuse de l'environnement, mais on sait relativement peu sur la façon dont les effets du gaz réel influencent les pertes dans les turbines utilisées pour la détente du fluide. L'accroissement des rendements ne peut être obtenu que si les phénomènes compressibles non idéaux sont mieux compris et modélisés.

Enjeux et objectifs

Les outils de simulation en dynamique des fluides (CFD) actuellement utilisés dans la conception des ORC, basés sur des modèles Navier-Stokes à moyenne de Reynolds (RANS), sont entachés par de nombreux défauts et incertitudes. Les méthodes de simulation aux grandes échelles (LES) ou de simulation numérique directe (DNS) constituent un outil prometteur pour améliorer notre compréhension fondamentale de ces écoulements. L'application des méthodes LES et DNS pour les écoulements de gaz réels dans des configurations de turbomachines est un défi pour les outils de simulation, en raison des nombres de Reynolds élevés et des modèles thermophysiques complexes requis par les gaz denses étudiés et nécessite des données expérimentales de haute qualité pour leur validation.<br />Le projet identifiera et quantifiera explicitement les effets de gaz réel sur la transition laminaire-turbulent, la séparation de l'écoulement, les interactions onde de choc-couche limite et le développement du sillage et, finalement, leur impact sur les mécanismes de perte dans le régime d'écoulement transsonique.

Des simulations LES résolues ou modélisées aux parois pour les écoulements de vapeur organique dans les turbomachines seront développées dans ce projet sur la base d'une approche numérique-expérimentale combinée utilisant des solveurs numériques de haute précision, une nouvelle installation d'essai en soufflerie pour la vapeur organique et une nouvelle génération de capteurs de surface à film chaud.
Deux configurations d'essai seront étudiées, à savoir l'écoulement sur une plaque plane et à travers une aube de turbine en cascade simplifiée. Les propriétés de l'écoulement, y compris les quantités turbulentes, seront mesurées au moyen de l'anémométrie à fil chaud, de systèmes Schlieren conventionnels et focalisés, de sondes de Pitot à cinq trous, d'anémométrie laser et d'une nouvelle génération de capteurs de surface à film chaud miniaturisés adaptés aux besoins très particuliers des écoulements de vapeur organique.

Grâce à l'étroite collaboration entre un groupe de recherche théorique/numérique (Paris, France) et un groupe expérimental (Muenster, Allemagne) et au soutien d'un groupe de technologie des microsystèmes (Ilmenau, Allemagne), le projet permettra, pour la toute première fois pour les vapeurs organiques, plusieurs avancées significatives : 1) caractérisation du comportement des écoulements transitoires et turbulents par le biais de simulations et d'expériences ; 2) compréhension des mécanismes de perte des aubes et évaluation de la capacité des modèles numériques à les capturer ; 3) développement d'outils CFD innovants à haute fidélité spécifiquement adaptés aux turbomachines ORC ; 4) développement et diffusion de nouveaux capteurs thermiques de surface pour mesurer les quantités d'écoulement et de turbulence dans la région des parois très minces pour les gaz réels.

Les nouvelles données expérimentales et CFD et les résultats de la présente recherche constitueront des cas de référence pour la communauté scientifique et le public intéressé.

• Cinnella, P., Matar, C., Gloerfelt, X., Reinker, F. & aus der Wiesche, S., 2022, Investigation
of non-ideal gas flows around a circular cylinder, Energy in second revision.
• Hake, L., Sundermeier, S., Cakievski, L., Bäumer, J., aus der Wiesche, S., Matar, C., Cinnella,
P. & Gloerfelt, X., 2022, Hot-wire anemometry in high subsonic organic vapor flows, Journal
of Turbomachinery, submitted. ASME.
• Cinnella, P., Matar, C., Gloerfelt, X., Reinker, F. & aus der Wiesche, S., 2021, High subsonic
organic vapor flow past a circular cylinder, in 6th International Seminar on ORC Power Systems,
number 84, p. 1–9, Munich, Germany, October 11-13.
• Bienner, A., Gloerfelt, X. & Cinnella, P., 2022, Numerical study of boundary-layer transition in
a high-subsonic organic vapor flow, in 56th 3AF International Conference AERO2022, Toulouse, France,
March 28-30. AAAF.
• Hake, L., Sundermeier, S., Cakievski, L., Bäumer, J., aus der Wiesche, S., Matar, C., Cinnella,
P. & Gloerfelt, X., 2022, Hot-wire anemometry in high subsonic organic vapor flows, in ASME Turbo
Expo 2022 Turbomachinery Technical Conference and Exposition, number GT2022-81686, Rotterdam, The
Netherlands, June 13-17. ASME.
• Bienner, A., Gloerfelt, X., Cinnella, P., Hake, L., aus der Wiesche, S. & Strehle, S., 2022,
Study of bypass transition in dense-gas boundary layers, TSFP12, Osaka, Japan, July 19-22.
• Bienner, A., Gloerfelt, X. & Cinnella, P., 2022, Assessment of a high-order implicit residual smoothing
time scheme for multiblock curvilinear meshes, ICCFD11, Maui, USA, July 11-15.
• Sundermeier, S., C., Matar, aus der Wiesche, S., Cinnella, P., Hake, L. & Gloerfelt, X.,
2022, Experimental and numerical study of transonic flow of an organic vapor past a circular cylinder,
NICFD2022, London, United
Kingdom, November 3-4.
• Hake, L., aus der Wiesche, S., Bienner, A., Cinnella, P. & Gloerfelt, X., 2022, Grid-generated
decaying turbulence in an organic vapour flow, NICFD2022, London, United Kingdom, November 3-4.
• Hake, L., Sundermeier, S., aus der Wiesche, S., Bienner, A., Gloerfelt, X., Matar, C. & Cinnella,
P., 2022, CFD-supported data reduction of hot-wire anamometry signals for compressible organic
vapor flows, in XXVI Biennial Symposium on Measuring Techniques in Turbomachinery (Transonic and
Supersonic Flow in Cascades and Turbomachines), Pisa, Italy, September 28-30.
• Bienner, A., Gloerfelt, X. & Cinnella, P., 2022, Leading-edge effects in freestream turbulence induced
transition in a dense gas flow, in Workshop Direct and Large-Eddy Simulation (DLES13), Udine,
Italy, October 26-29.
• Matar, C., Cinnella, P., Gloerfelt, X., Sundermeier, S., Hake, L. & aus der Wiesche, S., 2022,
Numerical investigation of the transonic non-ideal gas flow around a circular cylinder at high Reynolds
number, in Workshop Direct and Large-Eddy Simulation (DLES13), Udine, Italy, October 26-29.

Les systèmes de génération d’énergie basés sur les Cycles de Rankine Organiques (ORC) disposent d’un grand potentiel pour recycler la chaleur perdue et générer une énergie respectueuse de l’environnement. Cependant, les effets de gaz réels sur les mécanismes de pertes dans les turbines ORC restent mal connus. Une amélioration substantielle de l’efficacité des turbines ORC n’est possible qu’en progressant sur la connaissance et la modélisation de la dynamique des fluides compressibles et non idéaux mis en jeu. Les outils de mécanique des fluides numérique (CFD) utilsés à l’heure actuelle pour la conception des systèmes ORC, basés sur les équations de Navier-Stokes en moyenne de Reynolds (RANS), présentent des défauts notoires et de fortes incertitudes. La simulation des grandes échelles (LES) ou la simulation numérique directe (DNS) sont des méthodes prometteuses pour améliorer notre compréhension fondamentale de ces écoulements. Mais l'application des méthodes LES et DNS pour les écoulements de gaz réels compressibles dans des configurations de turbomachines est un défi ouvert, en raison des nombres de Reynolds élevés et des modèles thermophysiques complexes, et nécessite de plus des données expérimentales de grande qualité pour leur validation, qui ne sont pas disponibles pour le moment.
Des méthodes LES résolues ou modélisées en paroi pour simuler les écoulements de vapeur organique dans les turbomachines seront développées dans le cadre de ce projet qui s’appuie sur une approche conjointe numérique et expérimentale utilisant des solveurs numériques de haute précision, une nouvelle soufflerie fonctionnant avec de la vapeur organique et la génération de capteurs innovants de type film chaud surfacique. Le projet identifiera et quantifiera explicitement les effets de gaz réel sur la transition laminaire-turbulent, sur l’apparition de décollements, sur les interactions onde de choc/couche limite et sur le développement du sillage, afin de déterminer leur impact sur les mécanismes de perte en régime transsonique. Deux configurations principales seront étudiées, à savoir l'écoulement sur une plaque plane et sur une aube de turbine simplifiée. Les caractéristiques de ces écoulements, y compris les quantités turbulentes, seront mesurées au moyen de l’anémométrie à fil chaud, de visualisations strioscopiques conventionnelles et à focalisation, de sondes Pitot et de sondes à cinq trous, de l’anémométrie laser et d'une nouvelle génération de capteurs surfacique de type films chauds miniaturisés, adaptés aux besoins très particuliers des écoulements de vapeur organique. Grâce à l'étroite collaboration entre une équipe de recherche théorique / numérique (Paris, France) et une équipe expérimentale (Münster, Allemagne) et la collaboration avec une équipe spécialisée dans la conception de microsystèmes (Illmenau, Allemagne), le projet permettra, pour la toute première fois pour des vapeurs organiques, plusieurs avancées significatives: 1) la caractérisation du comportement d'écoulements transitionnels et turbulents via des simulations et des expériences; 2) la quantification des mécanismes de perte pour l’écoulement sur une aube de turbine et l’évaluation de la capacité des modèles numériques à les capturer; 3) le développement d'outils CFD haute fidélité innovants spécialement conçus pour les turbomachines ORC; 4) le développement et lancement de nouveaux capteurs surfaciques thermiques pour mesurer des grandeurs de l’écoulement et turbulentes dans la région de proche paroi, très fine pour les gaz réels. Les nouvelles données expérimentales et CFD ainsi que les résultats du projet seront partagés pour constituer des cas de référence pour la communauté scientifique et le public intéressé.

Coordination du projet

Paola CINNELLA (Institut Jean Le Rond D’Alembert)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

TUI Technische Universität Ilmenau
ENSAM -- DynFluid Ecole Nationale Supérieure d'Arts et Métiers - Laboratoire de Dynamique des Fluides
FH MS Muenster University of Applied Sciences
IJLRDA Institut Jean Le Rond D’Alembert

Aide de l'ANR 200 448 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2021 - 36 Mois

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