Etude de l interaction roue-diffuseur dans une pompe centrifuge
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Etude de l'interaction roue-diffuseur dans une pompe centrifuge

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Conclusion et perspectives Conclusion et Perspectives Durant cette étude, des campagnes de mesure par anémomètre laser à effet Doppler (ALD) ont été effectuées dans la roue et dans le diffuseur aubé d’une pompe centrifuge équipée d’une roue SHF au LMFA INSA-Lyon. Les résultats obtenus ont été comparés à ceux déduits de la modélisation numérique de l’écoulement instationnaire par un code de calcul commercial (CFX-TASCflow). Les sondages réalisés en fonction de la position angulaire de la roue et sur un pas du diffuseur ont permis d'étudier l'interaction instationnaire des deux rangées d'aubes en mouvement relatif. L'analyse et l'interprétation de ces mesures ont été facilitées par la programmation et la création d'animations qui reconstituent l'évolution temporelle et spatiale du champ de vitesse à différents débits. L'étude a permis de déterminer l'effet de la proximité du diffuseur aubé sur l’écoulement dans la roue pour différentes conditions de fonctionnement. Dans le cas de cette pompe, les résultats indiquent clairement l'existence d'une interaction roue- diffuseur. Dans la roue, au débit nominal, l'analyse de la vitesse relative au rayon R* = 0.818 montre la présence d’une structure jet-sillage observée pour l’ensemble des positions de mesure. La présence du diffuseur aubé en aval de la roue mobile n’a aucune influence sur l’existence de cette structure de l’écoulement relatif. Les résultats montrent que la frontière entre les deux structures ...

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Conclusion et perspectives
Conclusion et Perspectives
Durant cette étude, des campagnes de mesure par anémomètre laser à effet Doppler (ALD) ont été effectuées dans la roue et dans le diffuseur aubé d’une pompe centrifuge équipée d’une roueSHFauLMFA INSALyon.Les résultats obtenus ont été comparés à ceux déduits de la modélisation numérique de l’écoulement instationnaire par un code de calcul commercial (CFXTASCflow).
Les sondages réalisés en fonction de la position angulaire de la roue et sur un pas du diffuseur ont permis d'étudier l'interaction instationnaire des deux rangées d'aubes en mouvement relatif. L'analyse et l'interprétation de ces mesures ont été facilitées par la programmation et la création d'animations qui reconstituent l'évolution temporelle et spatiale du champ de vitesse à différents débits.
L'étude a permis de déterminer l'effet de la proximité du diffuseur aubé sur l’écoulement dans la roue pour différentes conditions de fonctionnement. Dans le cas de cette pompe, les résultats indiquent clairement l'existence d'une interaction roue diffuseur.
Dans la roue, au débit nominal, l'analyse de la vitesse relative au rayonR* = 0.818montre la présence d’une structure jetsillage observée pour l’ensemble des positions de mesure. La présence du diffuseur aubé en aval de la roue mobile n’a aucune influence sur l’existence de cette structure de l’écoulement relatif. Les résultats montrent que la frontière entre les deux structures (jet et sillage) n’est pas fixe par rapport au canal interaube. Elle se déplace dans la direction deθ*et deZ*; elle est influencée par la présence du diffuseur. Le déplacement de la frontière dans la direction axiale peut révéler l’existence d’une composante axiale de la vitesse, dirigée vers la ceinture. Cette composante est plus importante dans les positions de mesure proches du bord d’attaque du diffuseur. L’écoulement au débit nominal et au rayon R* = 0.818est tridimensionnel en présence d’un diffuseur aubé.
L’analyse du champ de vitesse radiale, conduit à la conclusion qu’il existe des pulsations locales de débit rattachées à la présence du diffuseur. Elles sont plus prononcées au voisinage de la ceinture et s’estompent dans la direction du plafond. Cette instationnarité de la vitesse radiale n’est pas accompagnée d’une modification du travail fourni par la roue ; en effet, les
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variations de la composante tangentielleCula vitesse restent limitées. La vitesse de tangentielle est quasi indépendante de la présence du diffuseur.
En avançant en direction de la sortie de la roue, dans le jet, l’écoulement commence à s’écarter du modèle potentiel observé précédemment. Pour la vitesse tangentielle, l’influence du diffuseur aubé se manifeste plus particulièrement à la frontière entre le jet et le sillage, c’est à dire, dans les zones marquées par d’importants gradients de vitesse. En ce qui concerne la vitesse radiale, c’est l’ensemble du passage de la roue qui est touché. Mais, cette influence est plus prononcée vers le côté en dépression qui est également caractérisé par une importante variation de l’angle de l’écoulement dans la direction axiale.
A l’approche du bord de fuite, les traces de l’interaction rouediffuseur se retrouvent aussi dans l’évolution de l’écoulement relatif dont l’analyse conduit essentiellement à deux constatations. La première concerne la vitesse relative dans le jet qui évolue progressivement pendant la rotation du canal par rapport au diffuseur. Il apparaît une accélération de l’écoulement à l’approche du bord d’attaque du diffuseur qui s’estampe graduellement en direction du milieu du pas suivant du diffuseur. La seconde, concerne la vitesse relative dans le sillage marqué par de forts gradients de vitesse. La vitesse minimale enregistrée au cœur du sillage subit une importante variation liée à la présence du diffuseur ; avec une valeur minimale enregistrée pour la positionVII(γ=36°) et une valeur maximale enregistrée pour la positionIII(γ= 10°).
Toutefois, il faut signaler un comportement singulier en deux positions de mesures. Dans la première (positionIII), le bord d’attaque du diffuseur se trouve sur le chemin de l’écoulement relatif quittant la roue. En conséquence, l’écoulement est désorganisé, le sillage est diffusé vers le côté en pression et son cœur localisé sur le côté en dépression est plus difficile à distinguer. Ces observations rejoignent celles qui ont été reportées pourR* = 0.818etR* = 0.909. Il s’agit bien alors d’une remontée à l’intérieur de la roue de l’influence du diffuseur aubé.
Pour la deuxième (positionVIII) et àR* = 1,la position d’observation (γ= 43°) est assez proche du prolongement géométrique de l’aube du diffuseur (γ =49°). Uneinteraction potentielle des deux rangées d’aubes est à l’origine d’une augmentation de la vitesse radiale sur le côté en dépression de la roue, tandis qu’elle reste sans conséquence sur la vitesse tangentielle. Il en résulte un changement de la direction de l’écoulement qui correspond à un
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angleαplus important. L’écoulement absolu entame le contournement du bord d’attaque du diffuseur.
L’analyse des fluctuations de la vitesse montre qu’elles ont deux origines distinctes: la première est liée au mouvement relatif des deux rangées d’aubes alors que la seconde, indépendante de la proximité du diffuseur est liée à la structure de l’écoulement dans les canaux inter aubes de la roue. D’autre part, l’instationnarité de l’écoulement est influencée par les conditions de fonctionnement. Le sillage étant le foyer de taux de fluctuations élevés et plus sensibles à la proximité du diffuseur.
La structure de l’écoulement dans le canal inter aube est influencée par le débit. En réduisant celui, la structure jet sillage disparaît à partir de0.7 Qn. L’écoulement est plus sensible à la présence du diffuseur; le niveau de la variation de la vitesse moyenne radiale augmente significativement, la turbulence locale est plus élevée et enregistre une valeur maximale quand le canal inter aube approche la zone du bord d’attaque du diffuseur.
Quant à l’effet de la roue sur le diffuseur, au débit nominal de la roue, il se traduit par un écoulement périodique à l’entrée du col du diffuseur où le fluide attaque le diffuseur avec une incidence variable, qui reste toutefois négative.
L’incidence est nulle au débit de meilleur rendement de la machine, qui est aussi le débit d’adaptation entre la roue SHF et le diffuseur. L’entrée du diffuseur est alors abordée par un écoulement homogène où disparaît le sillage de la roue.
A faible débit, le fluide attaque le diffuseur avec une incidence positive qui est à l’origine de l’apparition d’un écoulement de recirculation. Deux zones de recirculation périodiques apparaissent sur les flasques à la hauteur du bord d’attaque du diffuseur. L’étendue de ces zones dépend à la fois du débit de fonctionnement et de la position relative des deux rangées d’aubes.
A50%débit nominal, l’écoulement de retour est amplifié. Il remonte jusqu’à du l’intérieur de la roue et plus particulièrement au moment où les canaux de celleci sont centrés par rapport aux bords d’attaques du diffuseur. Il disparaît de la roue quand les canaux des deux éléments sont alignés.
La modélisation numérique instationnaire de l’écoulement réalisée par un code commercial,CFXTascFlow deAEAa montré sa bonne capacité à restituer technologie,
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l’organisation de l’écoulement. En effet, les résultats numériques sont globalement comparables à ceux obtenus expérimentalement.
Néanmoins, à faible débit, le calcul instationnaire ne détecte aucune remontée dans la roue de la recirculation présente en face du bord d’attaque du diffuseur. En revanche, le calcul détecte un écoulement non homogène et périodique à l’entrée du diffuseur.
Il est important de signaler que malgré ces résultats encourageants obtenus pour cette configuration tridimensionnelle de couplage rouediffuseur dans une pompe centrifuge, il faut garder en vue les discontinuités observées dans le champ de vitesse lors du passage du repère relatif au repère absolu.
Par ailleurs, la machine réelle inclue une volute que la modélisation devrait prendre en compte pour une analyse complète. Ce type de simulation est réalisable, mais demande un investissement considérable à la fois pour la mise en place du modèle et pour le temps de calcul. Ce calcul, s’il est conduit, devrait être confronté avec des mesures supplémentaires du champ de vitesse dans le diffuseur et à travers la volute. Durant l’étude actuelle, seul le champ de vitesse a été analysé. Des mesures de pression moyenne ou instationnaire devraient donner une vue complète du champ hydraulique dans une pompe centrifuge. De même, il serait intéressant d’étudier également l’influence de l’entrefer sur l’interaction rouediffuseur. Enfin, une possibilité pour parfaire cette analyse serait d’effectuer un travail similaire avec un diffuseur dessiné cette fois lui aussi pour le débit nominal de la roueSHF.
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