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Prédiction et mitigation des instabilités de cavité issues de couplages fluide-structure

Description

Contexte :

Dans les turbopompes spatiales, des phénomènes instationnaires complexes peuvent apparaitre dans les cavités rotor/stator. Ces cavités que ce soit au niveau de l’écoulement ou des parties solides définissant leur étendue, ont la particularité d’être à symétrie de révolution avec un fluide en rotation pour la partie centrale. Elles sont souvent positionnées à des interfaces stratégiques de la turbopompe, entre les composants fixes et tournants de l’étage de turbine par exemple. Il résulte que toute activité instationnaire s’établissant dans l’écoulement de ces cavités ou la structure environnante peut engendrer des risques majeurs sur l’opération de la turbopompe. C’est tout particulièrement le cas des variations azimutales et instationnaires fortes générées au niveau de la veine de la turbine qui se propagent à l’écoulement dans la cavité où ils peuvent se coupler avec les modes structuraux (ou inversement). Un tel processus met en lumière un mécanisme de couplage complexe multi physique et surtout potentiellement raisonnant.  En plus des phénomènes instationnaires classiques tels que la turbulence… des écoulements à haut nombre de Reynolds, les écoulements en giration ont la particularité de présenter des phénomènes instationnaires intrinsèques [2-4] clairement mis en évidence dans le travail de thèse de T. Bridel [5]. Ces instationnarités peuvent être un vecteur particulier dans le processus décrit précédemment mais surtout ils sont potentiellement traitables et/ou identifiés par le biais d’une analyse linéaire comme obtenue dans le travail de thèse de M. Queguineur [6].

Dans ce contexte particulier, la simulation numérique instationnaire, en particulier la Simulation des Grandes Echelles (SGE), et les solveurs issus des analyses linéaires de la mécanique des fluides ont permis de progresser sur la compréhension et la prédiction des phénomènes instationnaires des écoulements dans ces cavités à géométrie de révolution [6-10] et cela sur des points de fonctionnement d’intérêt pour l’industrie spatiale [5,11]. Plus spécifiquement, les outils d’analyse de stabilité linéaire ont permis d’identifier les modes observés expérimentalement et numériquement. Couplés à des études de sensibilité, ils ont en outre permis d’identifier les régions de l’écoulement à l ‘origine de l’expression des modes fortement instationnaires suivis de la mise en place de stratégies de contrôle.

Objectif :

L’objectif de cette thèse est d’améliorer la compréhension des phénomènes instationnaires dans les cavités rotor/stator des turbopompes spatiales.  Pour cela une utilisation conjointe de la Simulation des Grandes Echelles (SGE) et de l’analyse de stabilité linéaire est proposée avec pour but de prendre en compte l’aspect multi physique des instationnarités de type fluide / structure observés dans les turbopompes.  Un outil d’analyse de stabilité linéaire couplé fluide / structure sera donc développé pour identifier les mécanismes à l’origine des instabilités qu’ils soient dans l’écoulement, la structure environnante ou la résultante d’une interaction multi physique. Une telle approche permettra après validation d’analyser ces instationnarités et surtout proposer des solutions de mitigation que ce soit au niveau de l’écoulement ou de la structure.

Ce travail reposera en grande partie sur les bases initiées par les travaux de thèse de T. Bridel [5] et M. Queguineur [6] où des cavités seules mais de type industriel ont été simulées et ont démontré la capacité de la SGE à reproduire l’impact de choix géométriques sur l’installation des instabilités dans la cavité.  En parallèle, ces travaux ont mis en évidence la capacité d’une analyse linéaire à informer sur la nature des instabilités observées dans ces écoulements et surtout proposer des modes d’actions pour agir sur ces instabilités. Cette dernière analyse, issue de la linéarisation des équations Navier-Stokes, permet en effet l’identification des structures potentiellement instables pour un écoulement de base. Complété par le problème adjoint, l’analyse permet la mise en évidence des régions de l‘écoulement à leur origine ou même la sensibilité de ces modes à la topologie de l’écoulement de base. Sur cette base, M. Queguineur [6] a mis en œuvre des stratégies de contrôle permettant l’atténuation des modes les plus dangereux.

Sur la base de cet état-de-l’art, l’objectif sera ici d’inclure la cavité dans son environnement : i.e. en incluant la physique associée à la partie solide définissant la géométrie des cavités pour identifier les zones de l’écoulement mais aussi de la structure susceptibles d’être modifiées en solution à une instabilités observées sur la machine.

Jalonnement :

Les travaux de thèse s’articuleront de la manière suivante : 

  • Une étude bibliographique sur les phénomènes instationnaires dans les cavités rotor/stator, les analyses de stabilité linéaire et la physique des structures. En complément, la problématique des interactions fluide / structure sera couverte.

  • La prise en main de l’outil SGE du Cerfacs et suivi des résultats issus de la thèse de T. Bridel [5] et M. Queguineur [6].

  • La réalisation de calculs SGE sur d’une cavité rotor/stator avec prise en compte d’une structure souple. L’objectif est d’avoir à disposition une solution numérique simple pouvant reproduire un écoulement forcé par un mouvement connu d’un solide afin d’améliorer la compréhension physique des phénomènes instationnaires observés sur des géométries industrielles. La reprise d’une solution couplée fluide / structure autour d’ AVBP et un code de structure sera envisagée dans ce cadre.

  • En parallèle à ces études et prise en main de solutions autour d’AVBP pour la simulation instationnaire, le développement d’un outil de stabilité linéaire fluide/structure sera nécessaire et l’objectif principal de ce travail. A noter, une base autour de l’outil existant au CERFACS (nommé GIFIE) pour la partie fluide sera à construire afin de l’étendre au problème multi physique linéarisé fluide/structure.

L’ensemble de ces travaux utilisera les ressources CERFACS (encadrement scientifique et infrastructure informatique).  Les outils de simulation SGE (AVBP) et analyse de stabilité linéaire (GIFIE) du CERFACS seront aussi mis à disposition de l’étudiant doctorant.

Références: 

[1] J.E. Rossiter, “Wind-Tunnel Experiments on the Flow over Rectangular Cavities at Subsonic and Transonic Speeds”, Aeronautical Research Council Reports and Memoranda, No. 3438, Oct. 1964.

[2] E. Crespo del Arco, E. Serre, P. Bontoux & B.E. Launder, “Stability, transition and turbulence in rotating cavities”, Instability of flows, Wit press 2005, p141-195.

[2] M. Rabaud & Y. Couder, “A shear-flow instability in a circular geometry”, Journal of Fluid Mechanics, 1983, vol. 136, pp291-319.

[4] Hanzhuang Liang and T. Maxworthy, “An experimental investigation of swirling jets”, JFM, vol. 525, p. 115-159, 2005.

[5] T. Bridel, Etude des phénomènes instationnaires dans les cavités rotor/stator par Simulation des Grandes Echelles,  thèse INPT 2016.

[6] M. Queguineur, Etude des phénomènes instationnaire dans les cavités rotor/stator du domaine spatial,  thèse INPT 2019 (en cours).

[7] G. Boudier, L. Gicquel, T. Poinsot, D. Bissières, and C. Bérat, “Comparison of LES, RANS  and experiments in an aeronautical gas turbine combustion chamber”. In Proc. of the Combustion Institute, 31(2):3075-3082, 2007.

[8] G. Staffelbach, L.Y.M. Gicquel, G. Boudier, and T. Poinsot, “Large Eddy Simulation of self excited azimuthal modes in annular combustors,” In Proc. of the Combustion Institute, 32(1):2909-2916, 2009.

[9] M. Boileau and G. Staffelbach and B. Cuenot and T. Poinsot and C. Bérat, LES of an ignition sequence in a gas turbine engine,” Combustion and Flame, 154(1-2):2-22, 2008.

[10] L.Y.M. Gicquel, G. Staffelbach and T. Poinsot, “Large Eddy Simulations of gaseous flames in gas turbine chambers,” Prog. in Energy and Combustion Science, 38, 782-817, 2012.

[11] P. Wolf, G. STaffelbach, A. Roux, L. Gicquel and T. Poinsot, “Massively Parallel LES of Azimuthal Thermo-Acoustic Instabilities in Annular Gas Turbines,” Combustion and Flame, 159 (11), 3398-3413, 2012.

[12] T. Bridel et al., Wall-modeled LES and its impact on the rotor/stator cavity unsteady features, ASME Turbo-Expo 2016.

[13] T. Bridel, et al., Large scale motions of multiple limit-cycle high Reynolds number annular and toroidal rotor/stator cavities, Physics of Fluids, 29, 065115, June 11, 2017.

[14] M. Queguineur et al, Local and Global stability analysis of an academic rotor/stator cavity, proceedings of the ASME Turbo Expo GT2018, June 11-15, Ocotber, Olso, Norway, 2018.

[15] T. Bridel et al, Large-Scale Unsteady Features from Large-Eddy Simulation of Complex Geometry Turbopump Cavity, AIAA Journal Vol. 55, 7, p. 2198-2214, 2017.

[16] M. Queguineur et al, LES of the control of rotor/stator self sustained oscillations, 13th European Conference on Turbomachinery Fluid dynamics & Thermodynamics ETC13, ETC2019, April 8-12, 2019, Lausanne, Switzerland.

Profil

Master ou Ecole d’ingénieur

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : CERFACS
Directeur(rice) de thèse/recherche : GICQUEL Laurent
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : laurent.gicquel@cerfacs.fr
Responsable Cnes de l'offre : LE MARTELOT Sébastien

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