L'écoulement de jeu est un phénomène très important dans les turbomachines. Il provient du mouvement relatif entre la pale et la paroi d'extrémité, et la différence de pression à travers la pale. L'écoulement de jeu est extrêmement complexe pour sa nature tridimensionnelle et instable, et son existence conduit à de nombreux effets défavorables, par exemple, les pertes de performance aérodynamique et les émissions de bruit. C'est pourquoi l'écoulement de jeu a motivé de nombreuses recherches expérimentales et numériques. Afin d'améliorer la compréhension du écoulement de jeu et le bruit de large bande associé, une campagne de recherche a été menée au LMFA. En ce qui concerne l'écoulement de jeu, cette campagne de recherche comprend une expérience avec des technologies de mesure avancées, un calcul zonal LES et une série de calculs RANS / URANS. L'expérience et les simulations considèrent une configuration simple de l'écoulement de jeu à un faible nombre de Mach. Les résultats expérimentaux et numériques sont analysés de façon systématique et approfondie dans la présente étude. Enfin, des efforts sont déployés pour la modélisation et la prédiction du bruit à large bande avec des résultats expérimentaux et numériques. On observe dans l'expérience un système à multiple-tourbillon, avec une tourbillon de jeu intense. Les différentes analyses sur les caractéristiques d'écoulement montrent un bon accord entre l'expérience et le ZLES dans la région du écoulement de jeu. L'approche zonale (RANS-LES) s'avère être un outil puissant pour fournir une description détaillée du écoulement de jeu, avec un coût de calcul limité. Cependant, les calculs RANS et URANS surestiment globalement la diffusion de la tourbillon. En outre, l'oscillation du tourbillon de jeu est étudiée en utilisant des champs instantanés de PIV et l'amplitude d'oscillation est évaluée. La réponse dynamique de la tourbillon de jeu est également étudiée avec URANS aux fréquences choisies. Deux modèles de prédiction du bruit en champ lointain, correspondant à deux sources acoustiques différentes, sont reformulés et mis en oeuvre avec les données de champ proche des simulations numériques. Ces prédictions sont comparées aux mesures à champ lointain. En utilisant les données ZLES, le modèle de l’écoulement de jeu sur-estime le bruit généré dans la région de jeu. Le modèle de bruit de bord de fuite est implémenté avec les données ZLES et les données RANS et fournit une très bonne prédiction dans une large bande de fréquence. / The tip-leakage flow is a common flow feature in turbomachines. It originates from the relative motion between the blade tip and the end-wall, and the pressure difference across the blade. The tip-leakage flow is extremely complex for its three-dimensional unsteady nature, and its existence leads to many unfavourable effects, such as aerodynamic performance losses and noise emissions. These issues have motivated extensive experimental and numerical researches from both aerodynamic and aeroacoustic points of view. In order to improve the understanding of the tip-leakage flow and its associated broadband noise, a research campaign has been carried out at LMFA. Regarding the tip-leakage flow, this research campaign includes an experiment with advanced measurement technologies, a zonal LES computation and a series of RANS/URANS computations. Both the experiment and the simulations consider a single-airfoil configuration at low Mach number. Experimental and numerical results are analysed systematically and thoroughly in the current study. Finally, efforts are put on the broadband noise modelling and prediction based on the experimental and numerical results. A multi-vortex system with an intense tip-leakage vortex is observed in the experiment. The various analyses of the flow characteristics show a good agreement between the experiment and the ZLES in the blade tip region. The zonal (RANS-LES) approach proves itself to be a powerful tool to provide a detailed description of the tip-leakage flow, with a limited computational cost. However, the RANS and URANS computations globally over-estimate the diffusion of the tip-leakage vortex. Furthermore, the random oscillation of the tip-leakage vortex is investigated using PIV instantaneous flow fields and the wandering amplitude is evaluated. The dynamic response of the tip-leakage vortex is also studied with URANS at selected frequencies. Two far-field noise prediction models, corresponding to two different acoustic sources, are reformulated and implemented with the near-field data from the numerical simulations. These predictions are compared to the far-field measurements. Using the ZLES data as input, the blade-tip self-noise model is found to over-estimate the noise generated in the blade-tip region. The trailing-edge noise model is implemented with the time-averaged ZLES and the RANS near-field data, and yields a very good prediction within a broad range of frequency.

L’écoulement de jeu dans les compresseurs axiaux est étudié à l’aide de la Zonal Detached Eddy Simulation (ZDES). L’objectif consiste à évaluer la capacité de méthodes hybrides URANS/LES à simuler l’écoulement de jeu d’un compresseur axial réaliste afin de mieux comprendre la physique de cet écoulement, notamment son comportement au vannage ainsi que l’effet de sillages venant du stator amont sur le rotor aval. Après avoir choisi la méthode hybride ZDES, un banc d’essai numérique est défini afin de simuler le premier rotor du compresseur de recherche CREATE. Ce banc a la particularité de pouvoir prendre en compte les effets instationnaires venant de la roue directrice d’entrée (RDE), notamment son sillage ainsi que les tourbillons générés en pied et en tête. Basé sur des critères de maillage ZDES, il est utilisé pour évaluer cette méthode comparativement aux méthodes classiques RANS et URANS. La ZDES est validée par étape jusqu’à une analyse spectrale de l’écoulement de jeu se basant sur des données expérimentales. Elle s’est révélée capable de capturer plus précisément l’intensité et la position des phénomènes instationnaires rencontrés en tête du rotor, notamment le tourbillon de jeu. Les densités spectrales de puissance analysées montrent que cela est dû en partie à une meilleure prise en compte du transfert d’énergie des grandes vers les petites structures de l’écoulement avant leur dissipation. De plus, l’écart entre les approches s’accentue lorsque le tourbillon de jeu traverse le choc en tête. Proche pompage, les effets d’interaction entre le choc, le tourbillon de jeu, la couche limite carter et le tourbillon venant de la tête de la RDE sont amplifiés. Le décollement de la couche limite carter s’accentue et une inversion locale de l’écoulement est observée. De plus, le tourbillon de jeu s’élargit et est dévié vers la pale adjacente, ce qui intensifie le phénomène de double écoulement de jeu. L’interaction du tourbillon venant de la tête de la RDE avec le choc et le tourbillon de jeu du rotor est ensuite étudiée au point de dessin. Un battement du tourbillon de jeu est rencontré lors de l’interaction de ce tourbillon avec le tourbillon de tête de la RDE, ce qui diminue le double écoulement de jeu. / The tip-leakage flow in axial compressors is studied with the Zonal Detached Eddy Simulation (ZDES). This study aims at evaluating the capability of hybrid URANS/LES methods to simulate the tip-leakage flow within a realistic axial compressor in order to better understand the involved physics, especially the behaviour of the flow near surge and the effects of stator wakes on the downstream rotor. Once the ZDES method is chosen, a numerical test bench is defined to simulate the first rotor of the research compressor CREATE. This bench takes into account the unsteady effects of the Inlet Guide Vane (IGV), such as its wake as well as vortices generated at the IGV hub and tip. It is based upon ZDES meshing criteria and is used to evaluate this method compared to classic RANS and URANS approaches. A method validation is carried out up to a spectral analysis compared to experimental data. The ZDES is capable to capture more accurately the intensity and position of the unsteady phenomena encountered in the tip region, especially the tip-leakage vortex. The power spectral densities highlight that this partly originates from a better capture of the energy transfer from large to small structures until their dissipation. The discrepancy between the methods is accentuated as the tip-leakage vortex crosses the shock. Near the surge line, the interactions between the shock, the tip-leakage vortex, the boundary layer developing on the shroud and the vortex generated by the IGV tip are amplified. The boundary layer on the shroud separates earlier and a local flow inversion occurs. Besides, the tip-leakage vortex widens and is deflected toward the adjacent blade. This strengthens the double leakage. At the design operating point, the interaction of the IGV tip vortex with the shock and the rotor tip vortex is studied. A vortex flutter is observed as the IGV tip vortex arrives on the rotor blade and stretches the rotor tip vortex. This phenomenon decreases the double leakage.

L'objectif de la présente étude est d'analyser la modélisation de la turbulence de simulations en moyenne de Reynolds (RANS) dans le cadre d'écoulements de type turbomachines, en utilisant des simulations aux grandes échelles (SGE) comme référence. L'étude porte sur deux cas test: un décollement de coin dans une grille d'aubes rectiligne, et un écoulement de jeu pour un aubage isolé dans un jet. Deux lois de comportement, la loi de comportement de Boussinesq et la loi de comportement quadratique (quadratic constitutive relation ou QCR), sont analysées, avec deux versions du modèle de turbulence k-omega de Wilcox. Les lois de comportement étudiées reposent sur deux hypothèses: une hypothèse d'alignement entre le tenseur de Reynolds et un tenseur construit à partir de l'écoulement moyen, et une hypothèse sur la viscosité turbulente. L'hypothèse d'alignement est étudiée à partir de la SGE, pour laquelle les deux tenseurs sont indépendamment connus, en utilisant un indicateur construit sur le produit scalaire des tenseurs. Les résultats sont présentés sous forme d'une fonction de répartition de la valeur de l'indicateur pour le domaine complet, puis pour trois sous-domaines d'intérêt: l'entrée, une région où l'écoulement interagit fortement avec les parois, et une région où l'écoulement est fortement tourbillonnaire. L'hypothèse d'alignement n'est que rarement valide pour la loi de comportement de Boussinesq. Pour la QCR, les résultats sont meilleurs en entrée, comparé à la loi de Boussinesq. Il ne sont cependant pas meilleurs pour les régions où l'écoulement est plus tourbillonnaire. Une amélioration de la loi de comportement est nécessaire pour pouvoir faire progresser la modélisation turbulente en RANS. En revanche, l'utilisation de l'énergie cinétique turbulente et du taux de dissipation spécifique semble correcte pour estimer la valeur de la viscosité turbulente. L'analyse de la modélisation de l'équation d'énergie cinétique turbulente (ECT) est réalisée au travers d'une comparaison terme à terme avec l'équation d'ECT résolue par la SGE. Les résultats SGE présentent une turbulence qui n'est pas à l'équilibre : la production et la dissipation ne sont pas superposées, et le terme de transport est important. Pour le RANS, la turbulence est à l'équilibre : la production et la dissipation sont superposées, et le terme de transport est de faible intensité. Un modèle de turbulence qui prend en compte le déséquilibre est nécessaire pour améliorer ce point. En dernier lieu, une nouvelle formulation hybride RANS/SGE est proposée, fondée sur la distance à la paroi en unités de paroi. La formulation est validée dans un canal bi-périodique et un premier essai est réalisé sur le cas de décollement de coin, mais d'autres analyses sont nécessaires avant que cette formulation ne soit fonctionnelle. / The present study aims at analysing turbulence modelling in Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) simulations, in the context of turbomachinery flows, using large-eddy simulations (LES) as references. Two test cases are considered: a corner separation (CS) flow in a linear compressor cascade, and a tip-leakage (TL) flow of a single blade in a jet. Two constitutive relations, the Boussinesq constitutive relation and the quadratic constitutive relation (QCR), are investigated, with two versions of Wilcox's $k-\omega$ turbulence model. The studied constitutive relations rely on two hypotheses: an alignment hypothesis between the Reynolds stress tensor and a mean flow tensor, and an hypothesis on the turbulent viscosity. The alignment hypothesis is investigated using LES, where both the tensors are known independently, with an indicator built on the inner product of the tensors. The results are presented as probability density functions of the indicator value for the entire domain first, and then for three specific areas of interest: the inlet area, similar to a boundary-layer flow, an area of strong interaction between the flow and the walls (CS: passage area, TL: tip clearance) and an area of highly vortical flow (CS: separation wake, TL: tip-leakage vortex). The alignment hypothesis is rarely verified in any area for the Boussinesq constitutive relation. For the QCR, the results are improved for the inlet areas compared to the Boussinesq constitutive relation, but no significant improvement is found in the highly vortical regions. An improvement of the constitutive relation is needed in order to improve the RANS turbulence modelling. In contrast, the use of the turbulent kinetic energy and the specific dissipation rate appears quite correct to estimate the turbulent viscosity. The modelling of the RANS turbulent kinetic energy (TKE) budget equation is investigated through a term to term comparison with the resolved LES TKE budget equation. The LES presents a turbulence that is not at equilibrium, with the production and the dissipation not superimposed, and an important amount of transport. This differs from the RANS models, at equilibrium: the production and the dissipation are superimposed, with a small amount of transport. The development of a non-equilibrium turbulence model for RANS simulations could improve this aspect of turbulence modelling. Finally, a new hybrid RANS-LES formulation, based on the wall distance in wall units, is also proposed. It is validated on a bi-periodical channel flow, and a first attempt is made on the corner separation case, but further investigations are still needed for the model to be fully operational.