Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Les mécanismes physiques qui régissent les écoulements dans les turbomachines sont complexes, multiples et partiellement expliqués. Cet article propose une synthèse des méthodes de simulation numérique des écoulements à fluides incompressibles, conditions essentiellement tridimensionnelles, visqueuses et instationnaires, et qui traversent les différents organes fixes ou mobiles d'une turbomachine génératrice ou réceptrice. L’élaboration de modèles de simulation a permis des avancées considérables, et même si elles restent imparfaites et souvent approximatives, les méthodes de prédiction sont devenues des outils incontournables aux concepteurs de machines.
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The physical mechanisms that govern flows in turbomachines are complex, multiple and partially explained. This article offers a synthesis of the numerical simulation methods for incompressible fluid flows, essentially three-dimensional, viscous and instationary conditions which flow through the various fixed or mobile organs of a power generating or receiving turbomachine. The design of simulation models has allowed for considerable advances; although they remain imperfect and often approximate, prediction methods have become indispensable tools for machine designers.
Auteur(s)
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Gérard BOIS : Professeur des Universités - ENSAM CER de Lille
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Robert ReY : Professeur des Universités - ENSAM de Paris
-
Farid Bakir : ENSAM de Paris
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Olivier Coutier-Delgosha : ENSAM de Paris
INTRODUCTION
Ce document se propose de faire une synthèse des méthodes permettant la simulation numérique des écoulements à fluides incompressibles qui traversent les différents organes fixes ou mobiles d'une turbomachine génératrice (turbine) ou réceptrice (pompes, ventilateurs) généralement carénées. Ne seront pris en considération que les écoulements internes, c'est-à-dire ceux qui sont liés aux mécanismes de transfert d'énergie entre le fluide et l'arbre de la machine à l'exclusion des écoulements annexes (écoulements externes : fuites, cavités, paliers, débits d'équilibrage, etc.).
Un paragraphe particulier sera consacré à la modélisation du phénomène de cavitation qui, dans certaines conditions, peut apparaître au sein de l'écoulement et reste bien spécifique au cas des fluides incompressibles.
Les mécanismes physiques qui régissent les écoulements dans les turbomachines sont complexes, multiples et partiellement expliqués. Les conditions d'écoulement sont essentiellement tridimensionnelles, visqueuses, instationnaires et, pour le cas des écoulements avec cavitation, il faut prendre en compte les changements de phase.
Le caractère instationnaire des écoulements est naturel, lorsque l'on prend en compte le défilement des parties fixes et mobiles entre elles. Il est moins naturel et plus délicat à appréhender lorsqu'il provient d'hétérogénéités initiées par des distorsions d'alimentation ou lorsqu'il provient d'hétérogénéités dites intrinsèques comme celles qui apparaissent hors du point de fonctionnement ou en régime cavitant. Par ailleurs, tous les régimes transitoires sont la source d'effets instationnaires.
La connaissance et l'évaluation approfondie des ces mécanismes physiques se révèlent de plus en plus importantes d'autant que les utilisateurs et la concurrence entre concepteurs exigent sans cesse de pouvoir assurer des améliorations de performances substantielles ou de garantir des zones de fonctionnement de plus en plus étendues tout en s'imposant des contraintes géométriques de plus en plus sévères.
L'identification et l'analyse approfondie des mécanismes qui régissent les écoulements permettent d'améliorer les performances. Elles nécessitent de réaliser conjointement des investigations théoriques, l'élaboration de modèles plus ou moins simplifiés et des études expérimentales de plus en plus poussées.
Il est évident qu'il est encore loin le temps où l'on pourra prendre en compte simultanément et rigoureusement tous ces différents aspects pour le calcul d'une machine complète avec son environnement.
Toutefois, les méthodes de prédiction des écoulements fluides dans les turbomachines au cours des dernières décennies ont été nettement améliorées. Cela est lié aux évolutions conjointes des modèles mathématiques, des techniques numériques mises en œuvre et des capacités de calculs informatiques dont la croissance annuelle très rapide, a permis de réduire de plus en plus le nombre d'hypothèses simplificatrices. Il n'est cependant pas envisageable de pouvoir résoudre directement les équations de Navier-Stokes dans les géométries complexes d'applications industrielles.
C'est pour cela que, face aux problèmes soulevés par la détermination des ces écoulements complexes, il faut continuer à faire appel à des modélisations et à des simplifications variées qui vont être développées ci-après.
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Les différentes approches de l'écoulement6. Conclusion
En analysant l'état de l'art des méthodes de calcul des écoulements en machines à fluides incompressibles, on remarque que bon nombre d'effets tels que l'instationnarité due aux effets d'interaction entre parties fixes et mobiles commencent à être pris en compte, mais seulement par des artifices qui ne peuvent pas transmettre toutes les informations spatiales et temporelles. En outre, la prédiction correcte des pertes liées à la viscosité de l'écoulement reste étroitement liée à la modélisation de la turbulence. Les effets de la cavitation sont actuellement pris de façon globale et ne restituent pas encore les effets instationnaires intrinsèques à ce type d'écoulement qui, de par le mélange des phases, devient compressible par nature.
Malgré toutes ces imperfections et ces approximations, ces méthodes ont permis des avancées considérables au cours des dernières années. Elles deviennent des outils maintenant indispensables aux bureaux d'études pour la conception et l'amélioration des performances des machines.
Il est clair que toute amélioration de la représentativité de la réalité physique à l'aide de simulations numériques est source de progrès. Cela permet une meilleure connaissance des phénomènes complexes qui prédominent dans une turbomachine. L'observation et l'amélioration des techniques expérimentales est indispensable mais reste limitée. Les phénomènes à petites échelles spatiale et temporelle sont difficilement décelables et mesurables.
De plus, le couplage des ces méthodes avec celles de la conception assistée par ordinateur CAO ou celle qui permet le calcul des contraintes et des déformations, permet de disposer d'une panoplie numérique très utile pour les concepteurs en réduisant les marges d'erreur afin de concevoir mieux du « premier coup ». En réduisant les coûts de développement, ceux de vérifications par les essais de démonstrateurs ou de prototypes ou en privilégiant des essais plus spécifiques et plus ciblés, les procédures de certification seront nettement améliorés.
Enfin, dans le cadre de la qualité et du développement durable, ces approches constituent également une réponse, car elles permettent une meilleure prédiction de la durée de vie des éléments, un meilleur contrôle du bruit des machines et de l'installation et une prédiction de plus en plus précise des limites de fonctionnement conduisant à une sécurisation...
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Conclusion
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - MEAUZÉ (G.) - Turbomachines : calcul des écoulements compressibles - . [B 4 181] Techniques de l'Ingénieur, Machines hydrauliques et thermiques.
-
(2) - PLUVIOSE (M.), PÉRILHON (C.) - Turbomachines - . [BM 4 280] à [Doc. BM 4 284], Techniques de l'Ingénieur, Machines hydrauliques et thermiques (2002-2003).
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(3) - POULAIN (J.) - Pompes rotodynamiques : Fonctionnement - . [BM 4 302], Techniques de l'Ingénieur, Machines hydrauliques et thermiques (2001).
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(4) - NORMAND (J.L.) - Le code de prédimensionnement de pompes spatiales : PETHYPO - . Mémoire CNAM soutenu le 10/05/96. Diffusion Restreinte.
-
(5) - BAKIR (F.) - Aerohydrodynamique et dimensionnement des turbomachines à écoulement incompressible et cavitant - . Habilitation à Diriger des Recherches soutenue le 16 novembre 2004. Université Pierre et Marie Curie (Paris VI).
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