Bibliographie & annexes
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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
-
Robert ReY : Professeur des Universités - ENSAM de Paris
-
Farid Bakir : ENSAM de Paris
-
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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Conclusion5. Écoulements 3D cavitants
Le phénomène de cavitation dans les turbomachines à fluide incompressible est dû à la vaporisation du fluide véhiculé lorsque, localement, sa pression statique devient égale à sa pression de vapeur saturante. Toute accélération du liquide, comme par exemple un contournement d'un bord d'attaque, un rétrécissement de section, une mise en rotation ou un effet tourbillonnaire, provoque une diminution de la pression statique. La cavitation se manifeste par la formation, au sein de l'écoulement, de structures de vapeur diverses, dépendant des conditions de fonctionnement et du dessin de la machine qu'elle soit une pompe ou une turbine hydraulique. Ces figures de cavitation apparaissent dans les zones de faible pression et sont transportées dans les zones de haute pression. Sous l'action du gradient de pression, les bulles de vapeur implosent dès que la pression locale devient supérieure à la pression de vapeur.
Les conséquences néfastes de la cavitation sont diverses :
-
l'érosion du matériau provoquée par les implosions répétées des poches de cavitation lors de la condensation ;
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le bruit caractéristique de cavitation, pouvant être gênant pour l'utilisateur ou l'environnement, notamment dans certaines applications stratégiques ;
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les instabilités de fonctionnement et leurs conséquences au point de vue vibratoire ;
-
les chutes des performances des pompes qui les rendent inutilisables.
L'étude de la cavitation continue à mobiliser l'énergie de nombreux chercheurs et les centaines de publications disponibles dans la littérature couvrent tous les aspects du phénomène : moléculaire, thermodynamique, hydrodynamique, mécanique, hydroacoustique et comportement des matériaux, etc.
On cherche à mieux connaître le phénomène physique afin de le maîtriser et de limiter ses effets indésirables. La tâche est loin d'être facile, tant expérimentalement qu'à partir de la modélisation. Il s'agit d'un phénomène extrêmement complexe et instable : le mélange liquide/vapeur formé est fortement compressible, les deux phases se déplacent avec des vitesses différentes et sont séparées par des interfaces dotées de tensions superficielles, les échanges de masse et de quantité de mouvement sont permanents. Par ailleurs les changements de phases (vaporisation et condensation) se produisent violemment et les mécanismes de production, transfert et dissipation de la...
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Écoulements 3D cavitants
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - MEAUZÉ (G.) - Turbomachines : calcul des écoulements compressibles - . [B 4 181] Techniques de l'Ingénieur, Machines hydrauliques et thermiques.
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(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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