UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL DÉVELOPPEMENT D’UNE MÉTHODE DE SIMULATION DE POMPAGE AU
UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL DÉVELOPPEMENT D’UNE MÉTHODE DE SIMULATION DE POMPAGE AU SEIN D’UN COMPRESSEUR MULTI-ÉTAGÉ MARTIAL DUMAS DÉPARTEMENT DE GÉNIE MÉCANIQUE ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL MÉMOIRE PRÉSENTÉ EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLÔME DE MAÎTRISE ÈS SCIENCES APPLIQUÉES (GÉNIE MÉCANIQUE) AOÛT 2013 © Martial Dumas, 2013. UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL Ce mémoire intitulé: DÉVELOPPEMENT D’UNE MÉTHODE DE SIMULATION DE POMPAGE AU SEIN D’UN COMPRESSEUR MULTI-ÉTAGÉ présenté par : DUMAS Martial en vue de l’obtention du diplôme de : Maîtrise ès sciences appliquées a été dûment accepté par le jury d’examen constitué de : M. REGGIO Marcelo, Ph.D., président M. VO Huu-Duc, Ph.D., membre et directeur de recherche M. TRÉPANIER Jean-Yves, Ph.D., membre iii DÉDICACE À ma famille, iv REMERCIEMENTS Je tiens tout d’abord à exprimer ma profonde gratitude envers mon directeur de recherche, professeur Huu-Duc Vo, pour m’avoir accepté, fait confiance, et fournit un projet intéressant pour la validation de ma maitrise. Je le remercie également pour tous ses conseils judicieux, son encadrement et sa grande disponibilité lors de la réalisation de ce projet. Je souhaite également remercier Eddy Petro, associé de recherche, ainsi que Engin Erler, ancienne collègue de bureau aujourd’hui diplômée, pour l’aide fournie pendant ces deux années, notamment sur l’utilisation du logiciel CFX. Leurs commentaires constructifs, leur ouverture d’esprit ainsi que leur sens critique m’ont permis d’apprendre et de débloquer des situations délicates rencontrées lors de la réalisation de ce projet. Sans oublier Alain Robidoux, spécialiste des laboratoires d’enseignement, qui a permis d’effectuer cet accomplissement dans des conditions de travail optimales, notamment grâce à sa rapidité et son efficacité hors du commun. D’autres parts, je souhaite souligner l’appui de l’entreprise partenaire de ce projet, Pratt & Whitney Canada, pour leur soutien financier ainsi que leur appui technique. Je souhaite remercier plus particulièrement Hien Duong pour sa disponibilité et ses précieuses informations fournies. Je voudrais aussi remercier tous les étudiants que j’ai pu rencontrer ici à Polytechnique, pour tous les bons moments, inoubliables, passés ensembles. Un grand merci notamment aux joueurs de Hockey de l’AÉCSP, qui m’ont permis de découvrir ce sport fabuleux, et m’ont parfaitement intégré au groupe (et ce malgré mon piètre niveau). Mes pensées vont également à ma famille, et plus particulièrement à mes parents, qui sans leur soutien, n’aurait pu rendre ce grand projet réalisable. Leur éducation m’a notamment permis de devenir qui je suis aujourd’hui. Enfin, je tiens spécialement à remercier ma conjointe, Gwendoline Cressent, pour avoir cru en moi et m’avoir suivi jusqu’ici au Québec. Sa présence et son soutien ont été inestimables dans la réalisation de ma maîtrise. v RÉSUMÉ Le pompage est un phénomène instationnaire, qui peut apparaître lorsque le compresseur opère à un débit trop faible par rapport à son point de conception. Cette instabilité aérodynamique est caractérisée par de grandes oscillations de pression et de débit, résultant en une perte de puissance soudaine de la turbine à gaz et pouvant créer des dommages importants sur les composants du moteur. La méthodologie développée à travers ce mémoire permet de simuler le comportement du fluide au sein d’un compresseur multi-étagé pendant le phénomène de pompage, et de ce fait prédire, lors de la phase de conception, la variation temporelle des forces aérodynamiques appliquées sur les pales, ainsi que la pression et la température aux points d’extraction d’air dans le compresseur pour le refroidissement des turbines. Bien que le compresseur soit l’élément d’intérêt et déclencheur du phénomène de pompage, le comportement du fluide durant cette instabilité est également dépendant des autres composants du moteur (chambre à combustion, turbine, conduites). Cependant, une simulation numérique de l’intégralité de la turbine à gaz ne peut être effectuée de façon pratique avec les technologies actuelles. L’approche utilisée consiste en un couplage d’une résolution numérique (CFD) 3D des équations moyennées de Navier-Stokes (RANS) du compresseur, avec des équations unidimensionnelles (qui représentent le comportement des autres éléments) appliquées sous forme de conditions limites dynamiques. La méthode fut mise en pratique avec un code commercial CFD RANS (CFX), dont certaines options facilitent l’implémentation des équations 1D aux conditions limites dynamiques du modèle CFD. De plus, afin d’obtenir des temps de calculs raisonnables, un seul passage d’aube par rangée d’aubes du compresseur fut simulé pour capturer le phénomène essentiellement unidimensionnel qu’est le pompage. Cette méthodologie fut appliquée à plusieurs géométries de compresseurs, aux caractéristiques bien particulières. Des simulations sur un compresseur axial multi-étagé, basse vitesse (incompressible), ont notamment permis de valider les résultats obtenus numériquement avec des données expérimentales, montrant que l’amplitude des oscillations en pression et en débit étaient bien capturées. La forte dépendance de la fréquence des oscillations envers le volume du plénum (chambre à combustion) fut notamment mise en avant. Les simulations du second compresseur démontrèrent l’adaptabilité du modèle pour un compresseur multi-étagé de vi configuration axial-centrifuge. Finalement, l’application de la méthode à un compresseur transsonique de Pratt & Whitney Canada permit de démontrer que l’outil fonctionne pour une configuration combinant un étage de type mixed-flow et d’un étage centrifuge opérant en régime hautement compressible. Les simulations avec ce dernier compresseur ont notamment mis en avant certaines limites de l’outil, comme la robustesse numérique d’une succession d’interfaces rotor/stator dans un compresseur haute vitesse face à de grandes variations temporelles de débit, ainsi que les temps de calculs nécessaires pour l’obtention de plusieurs cycles de pompage. vii ABSTRACT Surge is an unsteady phenomenon which appears when a compressor operates at a mass flow that is too low relative to its design point. This aerodynamic instability is characterized by large oscillations in pressure and mass flow, resulting in a sudden drop in power delivered by a gas turbine engine and possibly important damage to engine components. The methodology developed in this thesis allows for the simulations of the flow behavior inside a multi-stage compressor during surge and, by extension, predict at the design phase the time variation of aerodynamic forces on the blades and of the pressure and temperature at bleed locations inside the compressors for turbine cooling. While the compressor is the component of interest and the trigger for surge, the flow behavior during this event is also dependent on other engine components (combustion chamber, turbine, ducts). However, the simulation of the entire gas turbine engine cannot be carried out in a practical manner with existing computational technologies. The approach taken consists of coupling 3-D RANS CFD simulations of the compressor with 1-D equations modeling the behavior of the other components applied as dynamic boundary conditions. The method was put into practice in a commercial RANS CFD code (ANSYS CFX) whose integrated options facilitated the implementation of the 1-D equations into the dynamic boundary conditions of the computational domain. In addition, in order to limit computational time, only one blade passage was simulated per blade row to capture surge which is essentially a one-dimensional phenomenon. This methodology was applied to several compressor geometries with distinct features. Simulations on a low-speed (incompressible) three-stage axial compressor allowed for a validation with experimental data, which showed that the pressure and mass flow oscillations are captured well. This comparison also highlighted the strong dependence of the oscillation frequency on the volume of the downstream plenum (combustion chamber). The simulations of the second compressor demonstrated the adaptability of the approach to a multi-stage compressor with an axial-centrifugal configuration. Finally, application of the method to a transonic compressor geometry from Pratt & Whitney Canada demonstrated the tool on a mixed flow- centrifugal compressor configuration operating in a highly compressible regime. These last simulations highlighted certain limitations of the tool, namely the numerical robustness viii associated with the use of multiple stator/rotor interfaces in a high-speed compressor with high rates of change of mass flow, and the computational time required to a simulate several surge cycles. ix TABLE DES MATIÈRES DÉDICACE ................................................................................................................................... III REMERCIEMENTS ..................................................................................................................... IV RÉSUMÉ ........................................................................................................................................ V ABSTRACT .................................................................................................................................VII TABLE DES MATIÈRES ............................................................................................................ IX LISTE DES TABLEAUX ............................................................................................................XII LISTE DES FIGURES ............................................................................................................... XIII LISTE DES SIGLES ET ABRÉVIATIONS ............................................................................ XVII LISTE DES ANNEXE ............................................................................................................... XIX CHAPITRE 1 INTRODUCTION ............................................................................................... 1 1.1 Généralités sur les compresseurs ...................................................................................... 2 1.2 Les instabilités aérodynamiques du compresseur ............................................................ 5 1.3 Problématique ................................................................................................................... 8 1.4 Organisation du mémoire ............................................................................................... 10 CHAPITRE 2 REVUE BIBLIOGRAPHIQUE : LE POMPAGE ............................................ 12 2.1 Le modèle de Greitzer : la Base ..................................................................................... 12 2.1.1 Emmons, le précurseur ............................................................................................... 12 2.1.2 La modélisation de Greitzer ....................................................................................... 12 2.1.3 Le coefficient B .......................................................................................................... 15 2.1.4 Avantages et limites du modèle ................................................................................. 17 2.2 L’état de l’art .................................................................................................................. 19 2.2.1 Modèles analytiques ................................................................................................... 20 2.2.2 Modèles Numériques (CFD) ...................................................................................... 21 x 2.3 Résumé de la revue bibliographique .............................................................................. 25 CHAPITRE 3 MÉTHODOLOGIE ........................................................................................... 27 3.1 Approche ........................................................................................................................ 27 3.1.1 Principe général .......................................................................................................... 27 3.1.2 Modélisation des conditions limites dynamiques ....................................................... 28 3.1.3 Couplage des conditions limites dynamiques à la CFD ............................................. 32 3.2 Implémentation numérique ............................................................................................ 35 3.2.1 Le Logiciel CFX ......................................................................................................... 35 3.2.2 Le modèle de turbulence ............................................................................................ 35 3.2.3 Autres options CFX .................................................................................................... 36 3.2.4 Les interfaces .............................................................................................................. 37 3.2.5 Les conditions limites classiques ............................................................................... 38 3.2.6 Les conditions uploads/Geographie/2013-martia-pdf.pdf
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- Publié le Dec 16, 2021
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