N d'ordre Annee

Guillaume Dufour

Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
N? d'ordre : 2375 Annee 2006 THESE presentee pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Ecole doctorale : TYFEP Specialite : Dynamique des Fluides par Guillaume DUFOUR CONTRIBUTIONS A LA MODELISATION ET AU CALCUL DES ECOULEMENTS DANS LES COMPRESSEURS CENTRIFUGES : APPLICATION A LA CONCEPTION PAR LOIS DE SIMILITUDE These soutenue le 4 Octobre 2006, devant le jury compose de : G. Bois Professeur a l'ENSAM-LML, Lille Rapporteur G.A. Gerolymos Professeur a l'Universite Paris V I Rapporteur P. Arbez Ingenieur Etudes Amonts, Liebherr Aerospace Toulouse Examinateur X. Carbonneau Enseignant-chercheur , ENSICA, Toulouse Examinateur J.-B. Cazalbou Enseignant-chercheur (HDR), ENSICA, Toulouse Directeur de these P. Chassaing Professeur a l'INPT, Toulouse Examinateur These preparee au departement de Mecanique des Fluides de l'ENSICA

• best-e?ciency line


• erreurs numeriques


• convention cifre entre liebherr aerospace


• synthese bibliographique des regles de dimensionnement des compresseurs


• cifre partnership between


• order modeling


• methode de verification


• reynolds-free scaling


• between e?ciency

Sujets

• École nationale supérieure d'ingénieurs de constructions aéronautiques
• Dufour
• Institut national polytechnique de Toulouse

Informations

• Publié par: profil-zyak-2012
• Nombre de lectures: 52
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

◦ N d’ordre : 2375

G. G.A. P. X. J.-B. P.

TH È SE

présentée pour obtenir le titre de

DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUS É Ecole doctorale : TYFEP Spécialité : Dynamique des Fluides

par

Guillaume DUFOUR

Année 2006

C TEUAITNOILASOM É DULCALCONTILAS À NTOBURI DES É COULEMENTSDANSLESCOMPRESSEURS CENTRIFUGES:APPLICATION À LACONCEPTIONPAR LOIS DE SIMILITUDE

Thèse soutenue le 4 Octobre 2006, devant le jury composé de :

Bois Gerolymos Arbez Carbonneau Cazalbou Chassaing

Professeur à l’ENSAMLML, Lille Professeur à l’Université ParisV I Ingénieur É tudesAmonts,LiebherrAerospaceToulouse Enseignantchercheur , ENSICA, Toulouse Enseignantchercheur (HDR), ENSICA, Toulouse Professeur à l’INPT, Toulouse

Rapporteur Rapporteur Examinateur Examinateur Directeur de thèse Examinateur

Thèse préparée au département de Mécanique des Fluides de l’ENSICA

Résumé Ce travail s’inscrit dans le cadre d’une convention CIFRE entre Liebherr Aerospace Toulouse S.A. et le département de Mécanique des Fluides de l’ENSICA. En réponse à des objectifs industriels d’amélioration de la qualité des compresseurs centrifuges de systèmes de conditionnement d’air, et de réduction des délais, deux axes sont étudiés : le diagnostique et l’amélioration de l’outil de simulation numérique en place chez l’industriel, et le développement d’une méthode de conception en similitude. La première partie traite des erreurs de simulation. Les erreurs numériques sont d’abord analysées par un plan d’expériences sur les paramètres de maillage, et quantifiées par l’extrapolation de Richardson. La contribution du modèle de turbulence est ensuite étudiée. Deux corrections pour les effets de rotation et courbure, développées pour des modèles au premier ordre, sont implantées dans le code de calcul. La méthode de vérification et validation permet leur évaluation sur des configurations académique et industrielles. Une synthèse bibliographique des règles de dimensionnement des compresseurs centrifuges débute la seconde partie. L’optimisation d’une machine de référence sert de support à l’application de ces règles. Des résultats d’essais permettent d’évaluer le compromis atteint sur le rendement, la plage de fonctionnement et le bruit de raies émis. La troisième partie concerne la conception par mise à l’échelle. L’approche proposée est basée sur l’application de similitudes restreintes le long de la ligne de meilleur rendement d’un étage. Cette méthode permet de définir un “potentiel de mise à l’échelle”, caractéristique de l’ensemble des spécifications couvertes par un étage donné. Une telle notion permet d’envisager la conception de nouvelles machines en s’appuyant sur une base de données d’étages. Abstract This work results from a CIFRE partnership between Liebherr Aerospace Toulouse S.A. and the département de Mécanique des Fluidesof the ENSICA. The main industrial goals are the qua- lity improvement of air-conditioning centrifugal compressors and the reduction of development cycles. The problem is tackled through two thematics : the qualification of the computational fluid dynamic tool used by Liebherr, and the developement of a conception method based on the similarity principle. The first part deals with simulation errors. Numerical errors are first analyzed thanks to the design-of-experiments method applied to mesh-generation parameters, and quantified using the Richardson extrapolation technique. The contribution of turbulence modeling is then scrutinized. Two model corrections accounting for rotation and curvature effects, in the framework of first- order modeling, are implemented in the code. The method of verification and validation is used to test the corrected models on academic and industrial configurations. The second part begins with a literature survey of centrifugal compressor design methods. These rules are applied to the optimization of an industrial baseline compressor. Experimental results are used to evaluate the trade-off between efficiency, operating range and tonal noise of the stage. The third part deals with scaling in a design context. The proposed method is based on the appli- cation of Reynolds-free scaling along the best-efficiency line of a given stage. This method is used to identify the “scaling potential” of an existing stage, defined as the ensemble of specifications that can be reached by the application of geometrical scaling. Such a method makes it possible to design compressors thanks to a database of existing stages.

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Remerciements

Ce travail a représenté pour moi un long engagement personnel, mais il a aussi impliqué de nombreuses personnes sans qui le résultat aurait certainement été différent.

Je voudrais tout d’abord adresser mes remerciements les plus profonds et les plus sincères à mes directeurs de thèse Jean-Bernard Cazalbou et Xavier Carbonneau. Je tiens à témoigner de la confiance qu’ils m’ont accordée dès le début de la thèse, et du soutien indéfectible qu’il m’ont apporté durant tout son déroulement. En particulier, je remercie Xavier pour sa présence constante, qui m’a fait profiter de sa rigueur et de son expérience scientifiques. Les discussions enrichissantes que nous avons eues à chaque étape de ce travail m’ont toujours permis de remettre les choses dans leur perspective globale, et d’apprécier les progrès effectués. D’un point de vue humain, j’ai découvert quelqu’un de profondément honnête et généreux, qui m’a grandement aidé dans les inévitables moments de doute. Je voudrais particulièrement remercier Jean-Bernard pour sa disponibilité permanente et sa patience. Ses qualités pédagogiques et la rigueur de ses analyses m’ont fait énormément progresser. Je voudrais aussi lui témoigner ma reconnaissance pour son implication dans la relecture du mémoire ; son sens de l’essentiel a grandement contribué à la rédaction du manuscrit.

Je dois aussi témoigner de l’implication sans faille de l’ensemble équipes de Liebherr Aerospace Toulouse, dont la contribution a permis de faire de ce travail une véritable thèse Cifre. Je remercie Pierre Arbez pour m’avoir fait découvrir le savoir-faire industriel de l’en- treprise, et pour avoir bien voulu partager avec moi ses nombreuses qualités techniques. Sa contribution m’aura véritablement aidé à progresser et à comprendre les préoccupations inhérentes à la réalité industrielle. Je tiens aussi à remercier Sylvain Miklaszewski de m’avoir permis par sa patience et sa pédagogie de m’approprier les notions d’acoustique indispensables au bon déroulement de ce travail. Son apport sur ce point dans la thèse est substantiel. Ses grandes qualités humaines et dans le travail ont permis que nos interactions soient toujours un plaisir. Je tiens enfin à témoigner à Mireille Lemasson ma profonde reconnaissance pour m’avoir accepté dans ce projet. Je dois la remercier pour avoir su guider cette thèse en conciliant les besoins industriels et les préoccupations scientifiques. Que soient soulignées sa franchise et son honnêteté, qui ne sont que les plus marquantes de ses nombreuses qualités humaines.

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Je tiens tout particulièrement à signifier ma gratitude aux rapporteurs, Gérard Bois et Georges Gerolymos, pour avoir accepté d’accorder de leur temps à la lecture de mon travail. Je dois souligner leur implication et la qualité des rapports, qui par leurs nom- breuses remarques m’ont permis d’améliorer le manuscrit final. Je les remercie enfin pour les critiques constructives et stimulantes qu’ils ont soulevées durant la soutenance.

Je tiens à remercier dans son ensemble le Département de Mécanique des Fluides de l’ ENSICA , et en particulier Patrick Chassaing pour m’y avoir accueilli. Ce fut un réel plaisir d’y travailler, ces années passées au sein du DMF resteront un grand souvenir. Que chacun y soit remercié, car une telle atmosphère de travail est le fruit de toutes les personnes qui ont pu passer par le département. Je dois quand même tout particulièrement remercier Jérôme : après 2 ans en binôme et plusieurs années de “co-bureautage”, notre amitié me semble maintenant à toute épreuve ! Que mon autre “co-bureauteur” Nicolas soit aussi assuré de mon amitié, j’espère que nous aurons encore ensemble de nombreuses discussions passionnées, sur les turbomachines bien sûr, mais aussi le reste !

C’est aussi l’occasion de remercier toute ma famille pour tant de choses que je ne pourrais toutes les citer ici. Je voudrais dire à ma mère et à mon père tout l’amour que j’ai pour eux, et combien le leur m’a permis d’arriver ici aujourd’hui.

Enfin, mon dernier mot pour finir ce que je n’ai réussi à dire lors de la soutenance : Ema, ces dernières années n’auraient pu se faire sans toi. Je te remercie pour la patience que tu as eue durant tout le temps qu’a durée cette thèse. Ton soutien m’a été plus que précieux. Que tout mon amour puisse transparâıtre à travers ces quelques lignes . . .

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Guillaume, le 21 Novembre 2006.