Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique - UMR 5509

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Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique
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T3 - Conception et Contrôle

L’optimisation de formes et le contrôle des écoulements en turbomachines sont orientés au sein de l’équipe vers l’augmentation des performances et des plages de fonctionnement. Ils offrent ainsi une voie de réponse aux objectifs d’efficacité énergétique et de maîtrise des risques en proposant des technologies de rupture. Cette thématique s’intègre dans un effort conjoint mené en partenariat avec les industriels majeurs des secteurs du transport et de l’énergie (Safran, EDF, VALEO, CEA), visant à transformer les turbomachines.

Optimisation de formes
Au cours de la période 2014-2019, l’équipe a migré progressivement du développement vers l’utilisation de méthodes de méta-modélisation et d’optimisation, avec le souci de pouvoir traiter les grandes dimensions des espaces de conception et d’objectifs. L’algorithme d’optimisation NSGA2 ainsi que des processus d’optimisation classiques (sans enrichissement) reposant sur du krigeage ont été évalués et ont montré l’importance de l’échantillonnage de l’espace de conception pour fiabiliser la surface
de réponse. La chaîne d’optimisation fait intervenir ici des méthodes de morphing de maillage de type Radial Basis Functions. Dans le cadre du programme ANR PEPITO concernant l’optimisation de ventilateurs de refroidissement automobile, des méthodologies innovantes de type Efficient Global Optimization (EGO) ont été étudiées. Celles-ci reposent également sur du krigeage (ou co-krigeage) et ont la particularité, au cours du processus d’optimisation, d’enrichir la surface de réponse avec de nouvelles solutions à fort potentiel. Ces méthodes EGO ont donné des gains significatifs en termes de temps de calcul et de qualité des solutions optimales. Ce programme ANR a permis également la mise en place de l’algorithme NSGA3, garantissant de meilleures performances lorsque l’espace des objectifs est de très grande dimension.

Contrôle des écoulements
La thématique du contrôle des écoulements dans les compresseurs concerne la définition, la mise en oeuvre, et la validation de stratégies de contrôle. Ceci a été appliqué pour le cas du décollement de coin sur l’extrados d’aubages dans une grille de compresseur. En utilisant un méta-modèle, la position et les dimensions d’une fente de soufflage reliant l’intrados à l’extrados des aubages ont été optimisées afin de réduire l’interaction entre les couches limites se développant sur le profil et les parois latérales. Ces travaux numériques et expérimentaux, menés en collaboration avec BUAA, ont montré une réduction importante de pertes sur une large plage d’utilisation (-23%, pour une incidence de 7°)(cf. fig. ci-dessous). Le contrôle des écoulements a également montré un fort potentiel en compresseur centrifuge. Une stratégie d’aspiration multi-fentes de la couche limite au moyeu d’un diffuseur a été développée à partir de l’analyse topologique du spectre du frottement et des maxima instationnaires du gradient de pression adverse. Numériquement, une augmentation de 3% de la limite de stabilité a été obtenue, pour un débit prélevé de seulement 1% du débit entrant. Cette même méthodologie a été appliquée pour concevoir des fentes d’aspiration au moyeu et au carter du diffuseur d’un compresseur centrifuge de nouvelle génération (module TURBOCEL). Le but est d’aspirer la couche limite qui se développe dans le diffuseur car elle cause in fine le déclenchement du pompage. L’expérimentation de cette stratégie a suggéré que pour s’avérer efficace dans l’objectif d’une augmentation de la plage d’opérabilité, la modification de l’organisation de l’écoulement dans le diffuseur doit s’effectuer de manière instationnaire par aspiration pulsée des couches limites.
Figure – Contrôle du décollement de coin dans une grille d’aubes de compresseur. Gauche : ligne de courant. Droite : visualisation des pertes en aval de la grille.

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