Academic literature on the topic 'Pertes instationnaires'

L’aspirateur d’une centrale hydroélectrique est l’organe hydraulique se situant en aval de la roue. Il a une forme divergente afin de récupérer l’énergie cinétique résiduelle en sortie de roue sous forme de pression statique et augmenter ainsi la chute nette de la centrale. Dans le cas des turbines de basse chute de type bulbe, les pertes de charge dans l’aspirateur influencent fortement le rendement global de la centrale. La prédiction correcte de ces pertes de charge au cours du dimensionnement de la turbine représente donc un enjeu majeur. La prédiction numérique des pertes de charge dans l’aspirateur est un réel challenge car l’écoulement dans l’aspirateur est dynamiquement complexe avec des nombres de Reynolds élevés, la présence de swirl et d’un gradient adverse de pression. Ces caractéristiques font que les approches de modélisation classiquement utilisées dans l’industrie sont mises en défaut. L’objectif de ce travail est double : (i) améliorer la prédiction de l’écoulement turbulent dans l’aspirateur en utilisant des approches instationnaires URANS et LES et en portant une attention particulière à la description des conditions d’entrée de l’aspirateur et (ii) réaliser une analyse fine des échanges énergétiques dans l’aspirateur pour mieux comprendre l’origine des pertes de charge. Une condition d’entrée instationnaire représentative de l’écoulement en sortie de roue est élaborée pour ces calculs. Les résultats de simulation sont comparés avec des mesures expérimentales afin d’évaluer la capacité prédictive de chaque approche de modélisation de la turbulence (URANS et LES). Cette étape de validation met en évidence l’importance d’une définition correcte des trois composantes de la vitesse en entrée d’aspirateur. L’influence des conditions aux limites du domaine de calcul, à savoir la rugosité de la paroi et la condition de sortie de l’aspirateur, sur les résultats de simulation est évaluée, notamment dans le cas d’une résolution LES. Grâce à une analyse détaillée du bilan d’énergie cinétique moyenne dans l’aspirateur, les phénomènes hydrodynamiques responsables des pertes de charge sont identifiés. Ceci permet d'analyser en détail les différences de prédiction de pertes de charge entre les calculs URANS et LES et d’identifier les pistes d’amélioration de la prédiction numérique de ces pertes. Enfin, cette analyse permet de comprendre l’évolution des pertes de charge observée entre plusieurs points de fonctionnement de la turbine
The draft tube of a hydraulic turbine is the turbine element located downstream of the runner. It has a divergent shape in order to convert the residual kinetic energy leaving the runner into pressure and thus increase the effective head of the turbine. The performances of low head bulb turbines are highly influenced by the head losses in the draft tube. The prediction of these head losses in a design process is thereby a major issue. The numerical prediction of the head losses in the draft tube is a real challenge because the flow in the draft tube is dynamically complex with high Reynolds numbers, a swirl and an adverse pressure gradient. These characteristics render conventional industrial approaches not appropriate. The objective of this work is twofold: (i) to improve the numerical prediction of the turbulent flow in the draft tube by using URANS and LES unsteady approaches and paying special attention to the description of the inlet boundary conditions of the draft tube and (ii) to conduct a detailed analysis of the energy transfers in the draft tube in order to better understand the origin of the head losses. An unsteady inlet boundary condition for the simulations reproducing the flow field at the runner outlet is developed. Numerical results are compared to experimental measurements in order to evaluate the predictive capacity of each turbulence modelling approach (URANS and LES). This validation step highlights the importance of defining properly the three velocity components at the draft tube inlet. The influence on the numerical results of boundary conditions of the calculation domain, such as wall roughness and the outlet boundary condition, is evaluated, in particular in case of LES. Thanks to a detailed analysis of the mean kinetic energy balance in the draft tube, the hydrodynamic phenomena responsible for head losses are identified. The head losses prediction differences between URANS and LES are thus analyzed in detail and possible improvements for the head losses prediction are identified. Finally, this analysis enables to understand the head losses evolution observed between several operating points of the turbine

La réduction de consommation de carburant dans l'aéronautique est devenue un des principaux axes de recherche, afin de réduire l'empreinte environnementale de l'aviation, mais aussi pour réduire le coût d'exploitation des aéronefs. Les motoristes, outre l'étude des technologies de rupture, travaillent aussi à l'optimisation incrémentale des turbomachines afin d'en augmenter le rendement, en réduire le poids et en faciliter l'intégration.Les turbines sont à la fois les composants les plus lourds du moteur, et ceux dont leur rendement impacte le plus la consommation spécifique. Le lien entre la turbine haute pression et la turbine basse pression est assuré par le canal inter-turbine, étudié dans le cadre de cette thèse.Depuis une vingtaine d'années, les chercheurs et les industriels essaient d'optimiser ce composant, afin de le rendre plus compact et plus performant sur le plan aérodynamique. Ce processus d'optimisation est contraint par deux principales difficultés. Premièrement, la méconnaissance de l'écoulement en sortie de turbine haute pression, qui ne permet pas de quantifier exactement les non-homogénéités de l'écoulement en entrée. Deuxièmement, la forme globalement divergente des parois qui amplifient ces non-homogénéités d'entrée, en augmentant les pertes par mélange.Les études menées visent à quantifier les erreurs sur la prédiction des performances du canal inter-turbine par simulations numériques, induites par une mauvaise modélisation des pertes par mélange.Dans un premier temps, une configuration industrielle d'un banc d'essais est analysée, afin de démonter l'impact d'une mauvaise description des non-homogénéités de l'écoulement (appelés distorsions) sur les performances du canal inter-turbine. De nombreuses simulations numériques RANS stationnaires et instationnaires ont été effectuées pour répondre à cette question, et comparées sur la base des mesures. Les pertes par mélange calculées démontrent une forte dépendance des différents mécanismes à la distorsion elle-même, et à l'état de la turbulence en entrée. Ainsi, une compréhension plus complète du mécanisme d'interaction entre distorsion et turbulence s'avère nécessaire pour la bonne conception du composant. Or ce sont deux caractéristiques de l'écoulement qui sont mal connues en sortie de turbine haute pression, du fait de la difficulté à mesurer dans de tels environnements.Une fois les mécanismes de base identifiés, deux simplifications de la géométrie seront proposées, afin d'étudier séparément les effets de la divergence des parois externes (diffusion) et de la déviation de l'aubage, sur les pertes par mélange.Concernant la diffusion, l'évolution d'un sillage dans un divergent a été étudié sur un cas académique pour mieux comprendre et quantifier le mélange dans un tel environnement. Les simulations mettent en évidence le lien entre les pertes et la turbulence injectée en entrée. Une simulation de type LES permet de mieux comprendre ce phénomène d'interaction, et de vérifier la validité de l'approche RANS à deux équations pour laquelle un comportement anistrope de la turbulence est hors de portée.Concernant l'influence de la déviation, l'évolution des pertes par mélange, qui diminuent ou augmentent avec celle-ci, est un débat ouvert depuis les années '50 en environnement turbine. Jusqu'à maintenant, la communauté scientifique a essayé de répondre à cette question au travers d'analyses complexes et résolues en temps de turbines conventionnelles. L'originalité et la simplicité de l'approche proposée dans ce mémoire se base sur une comparaison de deux géométries de turbines co- et contra-rotatives, avec la capacité d'étudier le sillage dans son propre repère de génération, sans l'utilisation de post-traitements complexes.Enfin, les résultats et les connaissances acquises sur les configurations simplifiées seront appliquées à la géométrie industrielle, et donneront lieu à des recommandations de dimensionnement du canal inter-turbine
Reducing fuel consumption in aeronautics is one of the main areas of research, in order to reduce the environmental footprint of aviation, but also to reduce aircraft operational cost. In addition to studying disruptive technologies, engine manufacturers are also working on the incremental optimisation of turbomachinery to increase efficiency, reduce weight and facilitate integration.Turbines are both the heaviest engine components and those whose efficiency has the greatest impact on specific fuel consumption. The link between the high-pressure and the low-pressure turbine is provided by the inter-turbine duct, studied in this thesis.During the last twenty years, academics and companies have been trying to optimise this component, in order to make it shorter and more aerodynamically efficient. This optimisation process is constrained by two main difficulties. Firstly, the lack of knowledge of the high-pressure turbine outlet flow, which prevent accuracy on non-homogeneities (distortion) of the inlet flow quantification. Secondly, divergent shape of the walls amplifies these inlet distortions, increasing the mixing losses.The studies carried out aim at error quantification on the prediction of the inter-turbine duct performances by numerical simulations, induced by an improper modelling of mixing losses.In a first step, an industrial configuration of a test bench is analysed, in order to demonstrate the impact of an incorrect description of the flow distortions on the performances of the inter-turbine duct. Several steady and unsteady RANS numerical simulations have been performed to answer this question, and compared to experiments. The calculated mixing losses show a strong dependence of the different mechanisms on the distortion itself, and on the inlet turbulence. Thus, a more complete understanding of the interaction mechanism between distortion and turbulence is necessary for the proper design of the component. However, these are two flow characteristics that are poorly known at high-pressure turbine outlet, due to measuring difficulties in such environments.Once the main mechanism has been identified, two simplifications of the geometry will be proposed, in order to study separately the effects of the divergence of the external walls (diffusion) and of the deflection of the blade, on the mixing losses.Concerning diffusion, the evolution of a wake in a divergent has been studied on an academic case to better understand and quantify the mixing in such environments. The simulations highlight the link between losses and inlet turbulence. A LES simulation allows a better understanding of this interaction phenomenon, and to verify the validity of the two-equation models used in RANS approach, for which anisotropic turbulence behaviour is not modelled.Concerning the influence of the deviation, the evolution of the mixing losses, which decrease or increase with the deviation, has been an open debate since the 1950s in turbine environments. Until now, the scientific community has tried to answer this question through complex and time-resolved analyses of conventional turbines. The originality and simplicity of the approach proposed in this work is based on a comparison of two co- and contra-rotating turbine geometries, studing the wake in its own generation frame, without using complex post-processing.Finally, the results and knowledge gained from the simplified configurations will be applied to the industrial geometry, and will result in recommendations for the sizing of the inter-turbine channel

Au cours de ces travaux, l'interaction flamme-paroi instationnaire a été étudiée expérimentalement en régime laminaire et turbulent, pour comprendre les phénomènes mis en jeu et fournir des données de référence pour la modélisation et la simulation. D'une part, le coincement frontal d'origine thermique a été décrit à l'aide d'un modèle basé sur un bilan d'énergie dans les gaz frais. Cette modélisation purement conductive du coincement de flamme a été confirmée par une simulation de la combustion de prémélange dans une enceinte sphérique. D'autre part, un modèle de pertes thermiques pariétales a été proposé via une approche originale de la conduction thermique, qui apparaît comme le résultat statistique du rebond des molécules de gaz sur la paroi. Développé en collaboration avec RENAULT, ce modèle validé en régime laminaire et turbulent a fait l'objet d'améliorations pour tenir compte de l'aérodynamique locale qui pilote les échanges thermiques aux parois des chambres de combustion.

Ce travail contribue a la mise en uvre d'un dispositif de controle actif de debits pulses etant a l'origine de bruits en basses frequences. L'application des equations de la mecanique des fluides aux ecoulements instationnaires en conduite mene en effet a une relation entre les fluctuations de debit et une perte de charge dont l'evolution instantanee peut conduire a l'annulation des fluctuations periodiques. L'objet de cette etude est alors de comprendre et maitriser l'organisation d'un ecoulement traversant une singularite et faire le lien avec la perte de charge. Ce travail, essentiellement experimental, est base sur la velocimetrie par imagerie de particules (piv). Nous avons alors montre la possibilite de former, dans une geometrie de type diffuseur, une zone de recirculation en moyenne et de reguler sa taille qui s'associe directement a la variation de la perte de charge. Dans ce cas, la relation entre structure d'ecoulement moyen et perte de charge est tres nette, mais dans le cas de phenomenes instationnaires et tridimensionnels, cette relation ne peut pas etre etablie. En revanche, lorsque la vanne est de dimension trop reduite et aussi lorsque celle-ci presente des angles trop abrupts, il apparait un phenomene de sillage qui rend alors la maitrise de l'ecoulement impossible. En ce qui concerne le controle actif de debit, nous avons etabli un modele ou l'actionneur est represente par sa loi statique de perte de charge. Celui-ci permet de juger des performances des actionneurs en evaluant en l'occurrence la puissance consommee, l'effet de la distorsion et la charge introduite. Son application au dispositif developpe dans ce memoire montre que des ameliorations sont apportees en termes de consommation d'energie et de charge introduite par rapport a la vanne papillon de reference. Parallelement, des travaux de simulation numerique 2d ont permis de valider un code k dans nos configurations presentant des gradients de pression adverses importants.

La première partie de ce travail est consacrée à un rappel bibliographique sur la filtration, ses limitations et les différents moyens pouvant être utilisés pour améliorer les flux de perméat, notamment la limitation du colmatage par la modification de l'hydrodynamique de l'écoulement et particulièrement par l'utilisation d'écoulements instationnaires. Compte tenu de la limitation de la pression admissible (2 bars) qui constitue une caractéristique technique importante des modules organiques à fibres creuses, nous avons proposé un type de procédé nouveau et original qui est constitué d'une pompe péristaltique de grande taille à un seul galet, dont l'effet est combiné à celui d'un accumulateur placé en aval de la membrane. L'étude des différents modes de fonctionnement du générateur de pulsations suivant son emplacement, nous a permis de choisir l'emplacement de ce dernier en aval de la membrane lors de la microfiltration d'une suspension minérale de carbonate de calcium où le phénomène limitant est la formation d'un dépôt. Une amélioration du flux de plus de 80% a été enregistrée pour des concentrations de 10 g/l et un nombre de Reynolds de 1925. Comme il est permis de récupérer la totalité de la perméabilité de la membrane grâce à la succession des phases de filtration et de nettoyage. Par contre pour la solution de pectine où les phénomènes limitant sont la polarisation de concentration et l'adsorption, l'emplacement de ce dernier en amont de la membrane et en opposition à la pompe d'alimentation a permis d'obtenir des gains de plus de 60% à une concentration de 5 g/l et une Ptm de 1 bar, grâce au rétrolavage périodique de la membrane lors de la phase d'écrasement du tuyau. La présence d'écoulement instationnaires entraîne une augmentation de la perte de charge et de la consommation énergétique, l'estimation de l’énergie spécifiques dégradée par mètre cube de perméat a été nécessaire en régime stationnaire et en régime pulsé. Pour la suspension de carbonate de calcium, à même énergies spécifiques le régime pulsé permet de produire quatre fois plus à faibles concentrations contrairement à la solution de pectine, ou une meilleure production n'est obtenue qu'à forte concentration de la solution et a même débit de la pompe.

Ce travail concerne l'utilisation d'un volet mobile afin de reduire la perturbation causee par des fluctuations de debit. Nous avons experimente son fonctionnement sur diverses applications industrielles dans des conditions tres differentes et notamment en utilisant simultanement plusieurs actionneurs. L'algorithme de commande adaptative temps-frequence pilotant le dispositif utilise un estimateur a moindres carres. L'emploi d'un estimateur robuste est, dans ce cas, preferable, d'ou notre choix de definir un estimateur a erreur bornee complexe et adaptatif. Enfin, il est possible de mettre a profit la forte non linearite du dispositif, afin d'en ameliorer le rendement. Il apparait alors qu'en donnant au volet une forme ovale, ses performances en sont ameliorees.

Le mémoire est composé de deux parties : la première partie comprend une étude expérimentale du transfert thermique en écoulement laminaire de conduite dans des fluides visqueux newtoniens à forte dépendance de leur viscosité avec la température et une modélisation du processus concerné. Les données expérimentales obtenues (coefficients de transfert thermique convectif et pertes de charge associées) ont été corrélées et comparées aux corrélations disponibles dans la littérature aussi bien en chauffage qu'en refroidissement. La modélisation mathématique a permis la simulation du processus de transfert thermique en régime laminaire non-isovisqueux, et a conduit à une confrontation théorie/expérience satisfaisante en ce qui concerne la détermination des coefficients de transfert thermique et des pertes de charge. Dans la deuxième partie de ce mémoire, nous présentons des résultats concernant le transfert thermique en écoulement pulsé. Nous démontrons ainsi la possibilité d'augmenter les échanges thermiques par rapport au cas laminaire stationnaire, à puissance mécanique dissipée identique. Aussi, des pulsations imposées à l'écoulement principal peuvent-elles être considérées comme un moyen simple et efficace pour améliorer les échanges thermiques dans des fluides visqueux habituellement pompés en régime laminaire