Quelques résultats obtenus par le laboratoire

Courtiade et al. [18, 15] ont pu étudier finement l’écoulement instationnaire des points stables du compresseur. Par exemple, à l’aide des mesures de pression statique en paroi, ils ont étudié les interactions rotor-stator sur les trois étages. Cette instationnarité est très com-plexe pour des compresseurs multi-étages surtout dans les derniers étages. Une méthode de décomposition modale basée sur celle de Tyler et Sofrin [67] permet de déterminer l’influence des interactions.

FIGURE2.3 – Vue méridienne du compresseur CREATE et des plans de mesures.

La figure 2.4 trace, à gauche, le diagramme espace-temps de la pression statique en paroi dans le plan 26A en aval du premier rotor. Ces mesures sont faites au point nominal et le diagramme est tracé selon la période réduite propre à CREATE et la périodicité machine. L’écoulement derrière la première roue mobile est déjà complexe. L’influence du rotor est évidemment visible. Pour chaque angle circonférentiel, il y a 4 pics de pression statique correspondant aux 4 aubes du rotor dans la périodicité machine.

La figure 2.4 trace, à droite, une transformée de Fourier circonférentielle du diagramme espace-temps qui est à sa gauche. L’évolution des modes spatiaux de la pression statique est ainsi mise en évidence. Le mode 6 est prépondérant dans l’interaction rotor-stator. Une transformée de Fourier temporelle sur ce mode montre que le mode 12 pilote le mode spatial. Les relations

venant de la méthode de Tyler permettent de déduire que la 3e harmonique du rotor 1 et

la 1er e du stator 1 sont responsables de l’instationnarité. Un tel résultat n’est pas intuitif ! Cette méthode a été transposée à des simulations en remplaçant la pression statique par l’entropie. Elle permet d’évaluer l’impact des interactions rotor-stator sur les performances de compresseurs industriels.

FIGURE2.4 – Diagramme espace-temps (gauche) et évolution temporelle des modes spatiaux (droite) pour la pression statique en paroi dans le plan 26A au point de fonctionnement nominal (Courtiade [15]).

Courtiade et Ottavy [15, 16, 17] ont étudié les instabilités à faible débit du compresseur et particulièrement les sources de déclenchement du pompage. Le pompage est une instabilité qui peut causer de graves dommages. Son étude est primordiale pour les industriels. La figure 2.5 trace la pression statique en paroi dans le plan 27A quelques tours machines avant le déclenchement du pompage. Pour toutes les valeurs des capteurs positionnés sur l’anneau tournant, il y a de faibles oscillations de pression. Entre 3 et 5 tours machine, des cellules de décollement tournant apparaissent. En 2 tours machine, elles occupent toute la circonférence du compresseur puis le pompage se déclenche. Dans le cas du compresseur CREATE, le pompage provient d’ondes de pression statique tournantes qui se forment dès les points stables. En diminuant le débit, l’amplitude de ses ondes augmente jusqu’à former des cellules de décollement tournant. Ces cellules déclenchent le pompage en quelques tours (1 tour ∼ 5ms). Courtiade a proposé une solution technologique qui mesure l’amplitude de ces ondes ce qui permet d’ouvrir la vanne anti-pompage en moins de 0,5 s.

FIGURE2.5 – Pression statique en paroi dans le plan 27A quelques tours machine avant le pompage (Courtiade [15]).

La compréhension des phénomènes physiques pour une application industrielle n’est pas le seul objet des études faites sur le compresseur CREATE. Elles permettent aussi de développer et de valider des outils informatiques qui servent dans le post-traitement des simulations des compresseurs haute-pression. Legras et al. [35, 36] ont développé le module MARS²dans le logiciel elsA3basé sur la méthode développée par Shabbir et Adamczyk [1]. Cet outil permet, entre autres, de calculer les intégrales sur un volume de contrôle des bilans des efforts des équations de conservation de masse, de quantité de mouvement et d’énergie. Le but est de permettre une analyse des efforts sur une partie de l’écoulement afin de comprendre les mécanismes d’action et d’en tirer des constatations pour optimiser le dessin du compresseur. Cet outil a été testé sur le compresseur CREATE, le NASA Rotor 37 (cas transsonique) et le

2. Module d’Analyse de RéSidu.

compresseur CBUAA [35]. Sur le compresseur CREATE, MARS a été utilisé pour étudier le traitement de carter sur le rotor du second étage. La figure 2.6 trace les intégrales des bilans des efforts de l’équation de quantité de mouvement axial avec comme volume de contrôle le jeu du rotor du second étage. Deux configurations ont été testées : veine lisse et traitement de carter. Par convention, les valeurs positives correspondent à des efforts dont la direction est opposée à l’écoulement. La somme de tous les termes doit être nulle pour respecter la conservation des équations. Quatre termes ne sont pas nuls dans cette région :

– le gradient de pression adverse (^�Δ(Psd Az)) ;

– le transport radial de quantité de mouvement axial (^�Δ�

ρWzWrd Ar

� ) ; – la force d’inertie (^�ΔW_z²d Az) ;

– la force visqueuse des couches limites aux parois (−^�Δ(τzrd Ar)).

Le terme du gradient de pression adverse augmente avec le traitement de carter et celui du transport radial de quantité de mouvement axial aussi. Le terme de force visqueuse des couches limites aux parois diminue significativement. Par contre le terme des forces d’inertie change de signe. Les forces d’inertie ne sont plus opposées à l’écoulement avec le traitement de carter.

D’après les résultats des mesures, le traitement de carter permet d’améliorer le rendement au point nominal de 0,4 % et encore plus à faible débit. L’analyse des bilans provenant de l’outil MARS montre qu’avec le traitement de carter les forces visqueuses des couches limites aux parois diminuent. Le traitement de carter diminuerait l’impact des forces visqueuses des couches limites aux parois et améliorerait le rendement global de l’étage.

FIGURE2.6 – Bilan des efforts de l’équation de quantité de mouvement axial pour le jeu du rotor du second étage (Legras [35]).

Le compresseur CREATE a été dessiné et conçu pour étudier des phénomènes physiques primordiaux qui sont rencontrés par les industriels de l’aéronautique. Ce compresseur permet, entre autres, d’analyser, de comprendre et de prédire le pompage ; mais aussi de valider les outils de simulations et de post-traitement qui en retour affinent notre compréhension

des phénomènes présents. Ces études permettent de dessiner et de concevoir de nouvelles technologies afin d’améliorer le fonctionnement de compresseurs industriels.

Dans la suite de l’étude, seule la roue directrice d’entrée (RDE) va être étudiée. Les compa-raisons avec les essais seront donc réalisées dans les plans 250 et 25A. Actuellement, il existe très peu d’études numériques disponibles sur la RDE. Cependant, il nous parait judicieux d’ap-profondir l’étude de cette roue. En effet, la différence observée sur les résultats numériques et expérimentaux en aval du premier étage pourrait provenir de la non-prise en compte de cette roue dans les simulations.