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DAFE - Aérodynamique fondamentale et expérimentale

Tourbillons de pales de CROR

La SNECMA désirant tirer bénéfice des connaissances du DAFE sur la dynamique tourbillonnaire a soutenu l’idée de financer une thèse coencadrée par le DAFE et le DAAP, dirigée scientifiquement par le DAFE (c’est la première thèse-Cifre accueillie par le DAFE). Le sujet concernait la réduction des émissions acoustiques d’un propulseur de type CROR. Cette recherche s’est appuyée sur deux outils : la suite elsA en mode RANS, sous la responsabilité du DAAP, et des expériences menées dans la soufflerie S2L du DAFE dans laquelle une pale de CROR fixe a été étudiée.

Des calculs ont été d’abord réalisés sur :

  • un CROR de référence basé sur un profil de pale « de type SNECMA » (pale HTC5, non confidentiel), voir figure ci-dessous (gauche) ;
  • une pale isolée non tournante reproduisant les conditions de l’expérience, voir figure (centre).

La figure de gauche ci-dessus situe le problème : les tourbillons de portance de hélice amont d’un CROR impactent l’hélice aval et cette interaction constitue une importante source de bruit, de type modale. L’objectif de la recherche était d’essayer de modifier les propriétés des tourbillons amont afin de réduire la signature acoustique de la machine. Chacun des calculs réalisés a été soumis à un diagnostic acoustique au moyen d’une suite logicielle opérée par le département DSNA (code KIM). Les confrontations calcul-expérience sur la pale fixe, comme sur l’exemple du champ moyen montré sur la figure centrale ci-dessus, se sont avérées très encourageantes. Mais un examen plus minutieux, par exemple celui de la distribution de la circulation dans le tourbillon, révèle alors le défaut majeur de la modélisation RANS : elle prédit un tourbillon plus concentré que l’expérience et, surtout, la présence d’un « overshoot » (point d’inflexion) dans la périphérie du tourbillon. L’instabilité centrifuge qui résulte forcément de cette situation devrait normalement effacer ce phénomène ; tel est le cas dans l’expérience.où la circulation reste monotone. Ce défaut provient de l’incapacité des modèles de turbulence du premier ordre (de type viscosité turbulente) à tenir compte des effets de la rotation. Il faut envisager une modélisation du second ordre pour cela. Les conséquences sur le bruit émis par le CROR de référence étudié numériquement restent toutefois modérées.

L’objectif étant d’essayer de modifier les propriétés des tourbillons afin de réduire leur impact acoustique, plusieurs solutions ont été testées, d’abord numériquement, puis expérimentalement pour les plus prometteuses. Toutes ces solutions gravitent autour du principe consistant à créer des tourbillons secondaires (à iso poussée) au moyen d’une variation locale de la surface de la pale au niveau du bord de fuite ou du bord d’attaque. La meilleure solution s’est avérée être celle consistant à implanter une excroissance unique sur le bord d’attaque, dans la région d’enroulement de la nappe de vorticité. Cette excroissance  est localisée dans une région particulièrement sensible de l’écoulement où elle induit une fracture de la nappe et la formation d’une paire de tourbillons corotatifs en lieu et place d’un seul tourbillon. Cela est illustré sur la figure ci-dessous (gauche et centre). Comparé au cas de référence, l’interaction avec la pale arrière du dipôle tourbillonnaire ainsi obtenu produit moins de bruit, du fait :

  • d’une moindre circulation du tourbillon dominant,
  • d’un comportement plus instationnaire de la vorticité (comme expliqué plus loin),
  • des interférences acoustiques produites par une distribution non monopolaire de la vorticité.

Ce principe a été breveté. Comme mentionné ci-dessus, les aspects instationnaires de ces écoulements, vus du point de vue de la stabilité linéaire, ont alors été scrutés. Rappelons qu’un tourbillon isolé est a priori linéairement stable. Cependant, il peut voir s'intensifier temporairement son énergie de perturbation en réaction à toute excitation hydrodynamique (turbulence extérieure par exemple) présente dans la région potentielle (à l’extérieur du tourbillon). Ce phénomène a été étudié dans le cas du tourbillon de Lamb-Oseen par Antkowiac & Branchet (Phys. Fluid, 2004, J. Fluid Mech. 2007) et Pradeep & Hussain (J. Fluid Mech. 2006). Ces auteurs ont montré par des approches de perturbations optimales que ces croissances transitoires existent et activent des ondes de déplacement dans le coeur du tourbillon. D'un point de vue théorique, ce phénomène s'explique par des mécanismes de coopérations qui existent, à temps courts entre les modes propres du système, qui sont les ondes de Kelvin. Dans le cas présent, il est probable que des phénomènes similaires aux perturbations optimales se produisent. L’analyse spectrale de mesures fil chaud (non montrées ici) indiquent en effet cela : le tourbillon secondaire engendré par la présence du concept exhibe au cours de sa convection de fortes ondulations sous l’effet du champ d'étirement azimutal du tourbillon dominant. Les mesures montrent alors ce phénomène remarquable qui est que l’énergie du tourbillon secondaire ainsi déstabilisé finit par décroitre en alimentant celle du tourbillon primaire, ce dernier devenant de plus en plus instable et plus turbulent vers l’aval. Tout cela ce déroule de manière transitoire, mais sur des échelles d’espace compatibles avec l’application visée. Le concept proposé agit donc aussi de manière positive par rapport aux objectifs en déstabilisant le champ de vorticité produit par la pale amont, cela qui devrait participer également à réduire l’efficacité acoustique de l’interaction avec la pale aval.

Pour finir, un modèle de tourbillon moyen capable de reproduire correctement la vorticité moyenne à l’aval d’une pale d’hélice (avec ou sans concept) a été développé. Il est basé sur l’utilisation de trois échelles : l’une caractérisant la zone de rotation solide, l’autre la zone de vorticité d’enroulement, et la dernière la zone potentielle. Ce modèle généralise ceux proposés dans le passé par le DAFE pour représenter les sillages d’avions. Comme le montre la figure ci-dessus (droite), ce s’avère remarquablement efficace. Il est déjà utilisé par certains collègues dans le domaine applicatif.

Références

L. Vion, G. Delattre, L. Jacquin, F. Falissard, B. Rodriguez, B. Ortun & R. Boisard, Pale pour une hélice de turbomachine à soufflante non carénée, hélice et turbomachine correspondantes, Brevet en France n° INPI 11.58770 déposé le 29/09/11.

 
L. Vion, L. Jacquin & G. Delattre, On the vortex dynamics of Counter-rotating open rotor, soumis à Exp. In fluids.

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