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DADS - Aéroélasticité et dynamique des structures

Aéroélasticité des turbomachines

Fig 1: Large chord fan steady Mach Field
Fig 1 : Soufflante Grande corde Champ de Mach stationnaire
 

Le département Aéroélasticité et dynamique des structures (DADS) de l'ONERA conduit des développements pour l’aéroélasticité des turbomachines au sein du code elsA développé par le Département Simulation Numérique des écoulements et Aéroacoustique (DSNA).
 

D’une part, des méthodes concernant la réalisation de calculs instationnaires en mouvement forcé harmonique pour les approches de couplage faible, et d’autre part des méthodes permettant la conduite de calculs de couplage fort statique et dynamique, prenant en compte une structure linéaire ont été développées et validées au sein du logiciel elsA. A cette fin plusieurs actions de développement ont été menées à bien :

  • adaptation des conditions d’adhérence en maillage déformable et repère relatif
  • adaptation de la condition de périodicité spatio-temporelle pour les problèmes aéroélastiques, en compatibilité avec le calcul parallèle, multigrille et pour les schémas de résolution temporelle avec implicitation LU
  • prise en compte de modes complexes
  • développement des fonctionnalités de couplage fort statique et dynamique pour les turbomachines


L’ensemble de ces fonctionnalités ont été validées sur des cas-test concernant une soufflante industrielle, et sont disponibles dans la version actuelle référencée d’elsA (fig 1).
 

En particulier, on a réalisé des calculs de simulation aéroélastique en mouvement forcé harmonique suivant le premier mode de flexion d’aube pour plusieurs débits, avec et sans déphasage (fig 2). Ces calculs ont permis  d’obtenir les valeurs de l’amortissement aéroélastique suivant le nombre à diamètre et les points de fonctionnement (fig 3). 
 

Fig 2:  Imaginary Part of pressure on the upper surface for diameter numbers 0 (a) and 1 (b)
Fig 2 : Partie Imaginaire de pression à l’extrados pour les nombres à diamètres 0 (a) et 1 (b)
 

Fig 3: Damping of the 1F mode depending on the phase shifting for 2 operating points
Fig 3 : Amortissement du mode 1F en fonction du déphasage pour 2 points de fonctionnement
 

A dynamic coupling single sector numerical simulation was also performed which gave access to the 4 modes damping values, in the case of a zero inter-blade phase angle operating point (fig 4).
 

Fig 4 : Historique des coordonnées généralisées des 4 premiers modes en couplage dynamique
Fig 4 : Historique des coordonnées généralisées des 4 premiers modes en couplage dynamique
 

All of the unsteady aeroelastic computations were performed in Navier-Stokes with the Spalart turbulence model, following the Arbitrary Lagrangian Euler formulation, in parallel computing, with multigrid acceleration and with a Backward Euler temporal integration scheme with LU implicitation.
 

Therefore, the elsA aeroelastic module is now operational for performing turbomachine aeroelastic stability analyses using Navier-Stokes non-linear aerodynamics.


 

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