La réduction de la consommation de carburants, des émissions de polluants et du bruit représentent des contraintes de plus en plus fortes pour le développement des nouvelles générations de moteurs d’avion. Pour répondre en partie à ce problème, chacun des composants de la turbomachine doit évoluer et est amené à fonctionner dans un environnement plus exigeant (réduction maitrisée des marges de fonctionnement).
Afin d’atteindre ces objectifs, les concepteurs dessinent des machines compactes à fort rendement et grande plage de fonctionnement. Les compresseurs basse pression évoluent donc vers des fonctionnements en régime transsonique plus complexe à maitriser que la technologie actuelle : caractérisés par des pertes résultant des ondes de chocs, entre autres, par une alimentation inhomogène (distorsion) à l’entrée de la turbomachine renforçant l’instationnarité de l’écoulement, et enfin, au niveau des écoulements secondaires, par des pertes par couplages entre composants notamment accentués par les tourbillons de passage, de coin et de jeu.
CAPTURER NUMÉRIQUEMENT LES PHÉNOMÈNES ENTRAÎNANT DES INSTABILITÉS
Jusqu’à présent, de nombreuses études ont été réalisées sur des compresseurs plutôt subsoniques / haut subsoniques. Au fil des années, l’ONERA a acquis un savoir-faire pour la mise en données de ces calculs compresseurs 360° (soit l’entièreté du compresseur). Cela a conduit à plusieurs études numériques qui ont permis de montrer l’intérêt de ces simulations pour comprendre finement des phénomènes physiques comme le décollement, le pompage ou bien l’acoustique de ces composants. On peut citer les références de N. Gourdain et Flore Crevel (p. ex.). Ces travaux ont été complétés par des études internes à l’ONERA menées par Julien Marty (p. ex.). Aujourd’hui, nous souhaitons réaliser ce type de simulation sur des compresseurs modernes transsoniques à fort taux de compression et grandes vitesses de rotation entraînant des instabilités lorsqu’on se rapproche du fonctionnement optimal du compresseur, c’est-à-dire proche des zones de pompage. La difficulté est donc de capturer numériquement les phénomènes qui entraînent des instabilités (ondes de choc, distorsions, interactions entre grilles et renforcement des écoulements secondaires) afin de les comprendre et d’aider les bureaux d’études dans le design des compresseurs. Cela passe nécessairement par des calculs 360 degrés instationnaires.
FAIRE UNE ANALYSE FINE DU SYSTÈME COMPLET
Jusqu’à maintenant, ce type de calcul reste à l’état de challenge pour la recherche et encore plus pour l’industrie et peu ont été réalisés sur ces compresseurs transsoniques en prenant en compte tous les étages dans une même simulation. L’intérêt d’un tel calcul est d’apporter la possibilité de faire une analyse fine du système complet et de capter une physique plus riche étant donné qu’il n’y a pas ou peu d’approximations sur la géométrie, et d’autant plus en présence d’un écoulement entrant distordu.
Dans ce grand challenge, nous avons utilisé le compresseur transsonique ENOVAL développé chez Safran. Un des avantages de ce compresseur est que nous avons de nombreuses données expérimentales bien documentées (p. ex. : pressions et températures totales pour les grilles statoriques ainsi qu’en entrée/sortie du compresseur, pressions statiques au moyeu et au carter et pressions instationnaires au carter) qui permettront de vérifier la qualité des simulations à chaque étape.
POUR UNE MEILLEURE COMPRÉHENSION DES INSTABILITÉS DES COMPRESSEURS
Il est à noter que ce travail de modélisation 360 degrés du compresseur transsonique ENOVAL est une étude qui est réalisée dans le cadre du projet SONICE (projet "France Relance" co-financé par la DGAC qui bénéficient aussi de financements EU via l'initiative NextGenerationEU), projet qui vise à travailler sur le développement de méthodes et d’outils numériques pour le remplaçant du code CFD elsA (le projet ne finance pas les heures de calculs). Les simulations visées dans cette étude apporteront donc une meilleure compréhension des instabilités des compresseurs transsoniques et serviront également à améliorer les modèles de réductions du nombre d’aubes pour les simulations stationnaires (comme les méthodes Giles) ou bien les simulations instationnaires (les méthodes temporelles de type multi-chorochroniques ou fréquentielles de type HBT ou NLH). De plus, cette étude servira de base pour étudier des calculs avec distorsion sur cette même configuration (on pourra ainsi repartir des conclusions et des résultats de cette étude).
Nous tenons à adresser nos remerciements à Mickael Philit pour son implication dans le projet.
Bibliographie : - Gourdin, N. (2005). Simulation numérique des phénomènes de décollement tournant dans les compresseurs axiaux, Thèse. - Crevel, F. (2013). Simulation numérique de l'écoulement en régime de pompage dans un compresseur axial multi-étage, Thèse. - Marty, J., Castillon, L., and Joseph, P. (November 25, 2022). "Numerical Investigations on the Rotating Stall in an Axial Compressor and Its Control by Flow Injection at Casing." ASME. J. Turbomach. May 2023; 145(5): 051009. https://doi.org/10.1115/1.4056090
Chiffre Clé :
1,3 milliard de points ; 1 tour de roue complet représente 2,8 millions d’heures CPU
Définitions :
URANS : Unsteardy Reynolds Average Navier-Stocks désigne l’étude des écoulements des fluides instationnaires par des méthodes numériques.
Etage : une turbomachine est composée de couples de roues rotor-stator (un couple est appelé un étage). Une roue est composée de plusieurs aubes.
elsA : logiciel ONERA Safran de simulation aérodynamique compressible permettant le calcul d’écoulements tant internes qu’externes autour de configurations mixant parties fixes et mobiles, en maillages structurés ou non structurés du subsonique à l’hypersonique.