Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Rotor/stator simulations“

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.<br>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)&#8712;[-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]&gt;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<br>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)&#8712;[-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]&gt;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<br>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<br>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