Abstract FR:

Ce manuscrit présente une étude numérique des instabilités aérodynamiques dans le compresseur centrifuge Turbocel, actuellement en essais au LMFA. L’étude vise à mieux comprendre les mécanismes des instabilités tournantes et de la restabilisation à bas débit observées dans le compresseur à régime partiel. L’étude est restreinte au rouet seul sans prendre en compte les autres composants de l’étage (Roue Directrice d’Entrée et diffuseur radial), au moyen de simulations RANS et URANS d'un seul canal (conditions de périodicité aux frontières latérales), à une iso-vitesse à régime partiel. Le code utilisé est le code elsA.Les simulations RANS sont capables de reproduire la forte augmentation du taux de pression du rouet observée à bas débit en essais. D’après les simulations ce comportement résulte d’une forte augmentation du travail transmis par les pales au fluide, coïncidant avec le développement d’un écoulement de retour en tête dans l’inducteur du rouet. Celui-ci s’initie entre le bord d’attaque des pales principales et celui des pales intercalaires, peu avant le pic de la caractéristique de taux de pression du rouet. Il commence par l’inversion du fluide issu du décollement au bord d’attaque des pales principales, après sa remontée jusqu’au carter et son transport par le jeu. La zone de recirculation s’étend lorsque le débit diminue, à la fois vers le moyeu et au-delà des plans d’entrée et de sortie du rouet. Les simulations URANS permettent ensuite de caractériser l’écoulement instationnaire dans le rouet. Bien que restreintes à un unique canal, elles captent l’apparition de structures tournantes dans l’inducteur du rouet, dans la zone à pente positive de la caractéristique de taux de pression issue des calculs RANS. Dans les deux zones à pente négative en revanche les champs restent stationnaires, identiques à la solution RANS. Les structures observées diffèrent du décollement tournant dans son acceptation classique car leur propagation n'est pas due à un effet de répartition du débit d’un canal à l’autre (puisqu’il n’y a qu’un seul canal), mais à la propagation d’une structure tourbillonnaire lâchée par un décollement au bord d’attaque et convectée par l’écoulement de jeu autour de la circonférence. La comparaison avec les résultats expérimentaux montre que ces structures reflètent correctement les cellules observées en essais. Les simulations mono-canal sont en outre validées par une comparaison à une simulation 360° sur un point de fonctionnement pour lequel l’instabilité est pleinement développée. En l’absence de perturbation extérieure et sans les autres composants de l’étage, le résultat du calcul 360° reste identique au calcul mono-canal sur le temps de calcul simulé, avec autant de structures tournantes que d’aubes. Dans les calculs la présence de ces structures tournantes coïncide avec des oscillations de débit importantes dans tout le domaine. Ces oscillations sont attribuées au fait que le nombre de cellules est égal au nombre d’aubes du rouet, de manière similaire à une interaction rotor-stator entre un rotor et un stator de même nombre d’aubes. D'autre part les performances moyennes sont supérieures aux performances obtenues en RANS. Pour tenter de comprendre pourquoi, des résultats illustratifs avec le modèle analytique de pompage et de décollement tournant de Moore-Greitzer sont présentés pour un cas axial. Ce modèle prédit des performances moyennes supérieures à la caractéristique dite sous-jacente du compresseur, ce qui fournit une piste d'explication. Enfin, le modèle de Moore-Greitzer ne capte pas les oscillations de débit observées dans les calculs. Cela suggère qu'il serait intéressant d'intégrer dans le modèle un mécanisme d'interaction rotor-stator entre les cellules de décollement tournant et les aubes.