Ecoulements tournants
Présentation
Responsable du thème: Pierric Joseph
Mots clés: Avitation; Compresseur ; Hélices ; Inducteur ; Interactions ; Pompe cardiaque ; Turbopompe spatiale ; Stabilité
Cette thématique regroupe les travaux de recherches menés sur une vaste gamme de machines tournantes, allant des pompes d’assistance cardiaque jusqu’aux compresseurs aéronautiques. Dans toute la diversité des machines et des fluides étudiées, le point commun est l’intérêt porté aux situations « inhabituelles », à savoir fonctionnement en régime dégradé, loin du point de dessin ou encore avec différentes formes de distorsions ou d’interactions.
Enjeux et positionnement
Les écoulements se produisant dans les machines tournantes sont, de base, d’une grande complexité. Ils impliquent la présence de multiples pièces mobiles et, dans de multiples cas, un confinement rendant leur étude difficile aussi bien numériquement qu’expérimentalement. Leur rôle crucial dans de nombreux secteurs industriels (aéronautique et spatial, mais également l’énergie ou la santé) en fait cependant un sujet de recherche d’intérêt majeur.
Une particularité du LMFL est que ses travaux de recherche ne portent pas tant sur l’optimisation et le dessin des machines que sur l’analyse poussée des écoulement dans de situations qui pourraient être qualifiées de « fonctionnement dégradé ». D’un point de vue appliqué, il arrive en effet fréquemment que les machines soient utilisées loin de leur point de dessin ou encore dans des environnements perturbés par des éléments extérieurs voir par d’autres machines adjacentes. Le comportement de l’écoulements peut alors devenir difficilement prévisible, avec des impacts sur la performance, la stabilité et, in fine, la sécurité de mise en œuvre du système technique auquel appartient la machine en question.
Le LMFL s’efforce donc d’apporter un éclairage sur ces cas limites de fonctionnement, via une approche couplant des compétences expérimentales historiques, de la simulation numérique et des méthodes innovantes basées sur l’assimilation de données de différentes sources.
Compte tenu des problèmes étudiés, les partenaires principaux du laboratoire dans ce thème sont Safran Aircraft Engines (SAE), le CNES, ArianeGroup et plus récemment le CHR de Lille.
L’instabilité des étages de compresseurs axiaux à bas débit / haut taux de compression est un problème aussi ancien que leur utilisation dans les moteurs aéronautiques. Le support des travaux de recherches au LMFL est la géométrie CME2 (Compresseur Mono Etage version 2), existant aussi bien en jumeau physique que numérique.
Plus spécifiquement, au-delà de l’étude des écoulements instables en eux – mêmes, sont étudiés les précurseurs de décrochage et son contrôle actif (ici par jets pulsés ou vectorisés). L’influence des distorsions azimutales en pression totale (représentative d’une entrée d’air coudée) sur le mode d’entrée en décrochage est également un sujet de recherche actif, aussi bien par la réalisation d’expériences que via l’établissement de modèles à destination des industriels. Dans la lignée des activités menées sur les écoulements diphasiques dans les autres thèmes du laboratoire, l’influence d’une fraction liquide (cas d’ingestion de pluie) sur la stabilité des machines va également être investiguée.
L’étude de la cavitation dans les premiers étages de turbopompes spatiales (appelés inducteurs) est une thématique phare du laboratoire qui exploite depuis plusieurs années une installation unique en Europe . Très spécifique, la boucle SESAM (« Section d’Essais des Arts et Métiers ») permet de reproduire expérimentalement des régimes cavitants très dangereux pour les fusées, car pouvant mener à « l’Effet Pogo », phénomène oscillatoire instable pouvant détruire ou endommager les lanceurs ou leur charge.
Les analyses sont permises via une instrumentation très dense : pression en parois, balance rotative donnant les efforts dans le repère tournant, ou plus récemment, section d’essais transparente de qualité optique pour prise d’images par caméras rapides.
Porté par la massification des usages civils et militaires des drones, cet axe de recherche vise à comprendre, et éventuellement optimiser, les interactions complexes existant entre les différentes hélices d’un drone (quadrirotor ou plus) ou encore celles présentent sur les nouvelles configurations d’hélicoptères rapides (Airbus Helicopters X3 et RACER).
Au-delà de l’interaction entre les différentes parties des aéronefs, c’est la complexité induite par d’éventuelles perturbations météorologiques ou aérologiques qui est également au cœur de ces travaux de recherche, qui touchent de près à la sécurité et à la certification de ce type d’appareils pour un usage en milieu urbain. Une autre direction de recherche active, en lien avec le thème dynamique du vol, est l’effet d’une perte de puissance totale ou partielle sur une ou plusieurs unités de propulsion afin d’ajuster au mieux les lois de commande en cas de panne. Les travaux essentiellement expérimentaux du laboratoire sont menés conjointement avec des études numériques produites ailleurs au département DAAA de l’ONERA (unité H2T), offrant ainsi deux visions complémentaires pour appréhender ces phénomènes aérodynamiques complexes.
La santé est un axe de recherche émergent mais dynamique du laboratoire, porté par une collaboration étroite avec le Centre Hospitalier Universitaire de Lille. Elle concerne spécifiquement la mise en œuvre de pompes cardiaques externes permettant une circulation sanguine extracorporelle pendant, par exemple, les opérations du cœur. Le sang - et les fluides biologiques de manière générale - sont en effet particulièrement complexes, avec un comportement potentiellement non – newtonien et des impératifs de manipulations spécifiques. Dans le cas du pompage du sang, il s’agit en particulier de limiter les phénomènes d’hémolyse de thrombose dus, respectivement, à un cisaillement excessif et aux recirculations internes des pompes. La collaboration actuelle avec le CHR consiste principalement à limiter l’apparition de ces phénomènes, ce qui passe par la compréhension du fonctionnement des pompes existantes et la proposition de solutions d’améliorations.
Un objectif important des travaux du LMFL est de proposer des méthodes fiables et à faibles coûts de calcul permettant la prédiction des écoulements complexes existants dans les machines tournantes. Cela comprend les méthodes d’assimilations de données, de frontières immergées, les filtres de Kalman, les études de stabilité et différentes méthodes de modélisation d’ordre réduit. Ces développements sont réalisés au laboratoire (entre autres) sur le banc de pompe RESEDA, qui est une machine centrifuge à diffuseur modulaire disposant de larges accès optiques pour réaliser des mesures de types PIV, et ainsi confronter les différentes méthodes de modélisation aux données expérimentales.
