Les écoulements en turbomachines (et notamment en turboréacteurs) sont caractérisés par de larges structures tourbillonnaires et de fortes intensités turbulentes. Ainsi, l'écoulement secondaire dans la région du jeu, en tête d'aube, est l'origine de pertes d'énergie, d'instabilités et de nuisances sonores. Une simulation fine de ces écoulements peut être obtenue par l'emploi de méthodes LES (Large-Eddy Simulation), qui permettent de capturer les fluctuations turbulentes majeures. Compte tenu des phénomènes rencontrés, le modèle de sous-maille SISM (shear-improved Smagorinsky model) est retenu ici. Ce modèle est local dans son écriture, et prend en compte l'influence du cisaillement moyen. Nous proposons ici deux méthodes de filtrage (locales en espace elles aussi) pour obtenir une évaluation du champ moyen requis par le modèle. Ces méthodes sont, dans un premier temps, testées sur une configuration de canal plan. L'écoulement en régime sous-critique autour d'un barreau cylindrique (Re = 4, 7 ×104) est proposé comme cas-test académique sélectif pour ces méthodes : cet écoulement présente de larges structures tourbillonnaires ainsi qu'une turbulence intense, tout comme l'écoulement de jeu. Les simulations permettent l'obtention de résultats très proches des données expérimentales. Une étude comparée des deux algorithmes d'extraction du champ moyen montre que l'adaptativité du filtrage de Kalman offre toutefois des résultats légèrement meilleurs. Enfin, l'analyse d'un écoulement de jeu par une méthode zonale est réalisée (approche LES en tête d'aube, RANS en pied). La simulation de référence obtient des résultats remarquables dans la zone de tête d'aube, en retrouvant notamment les spectres de vitesse expérimentaux. Une seconde simulation avec l'emploi d'un dispositif de contrôle par aspiration au niveau du carter montre deux conséquences principales à ce dispositif: une réduction des niveaux de turbulence aux environs de la tête d'aube, et une modification de la trajectoire du tourbillon de jeu. Celui-ci rencontre l'aube suivante dans la configuration de référence, ce qui n'est plus le cas dans la configuration avec contrôle. Ces deux observations ont une importance certaine dans la réduction des sources acoustiques.

Les écoulements en turbomachines (et notamment en turboréacteurs) sont caractérisés par de larges structures tourbillonnaires et de fortes intensités turbulentes. Ainsi, l’écoulement secondaire dans la région du jeu, en tête d’aube, est l’origine de pertes d’énergie, d’instabilités et de nuisances sonores. Une simulation fine de ces écoulements peut être obtenue par l’emploi de méthodes LES (Large-Eddy Simulation), qui permettent de capturer les fluctuations turbulentes majeures. Compte tenu des phénomènes rencontrés, le modèle de sous-maille SISM (shear-improved Smagorinsky model) est retenu ici. Ce modèle est local dans son écriture, et prend en compte l’influence du cisaillement moyen. Nous proposons ici deux méthodes de filtrage (locales en espace elles aussi) pour obtenir une évaluation du champ moyen requis par le modèle. Ces méthodes sont, dans un premier temps, testées sur une configuration de canal plan. L’écoulement en régime sous-critique autour d’un barreau cylindrique (Re = 4, 7 ×104) est proposé comme cas-test académique sélectif pour ces méthodes : cet écoulement présente de larges structures tourbillonnaires ainsi qu’une turbulence intense, tout comme l’écoulement de jeu. Les simulations permettent l’obtention de résultats très proches des données expérimentales. Une étude comparée des deux algorithmes d’extraction du champ moyen montre que l’adaptativité du filtrage de Kalman offre toutefois des résultats légèrement meilleurs. Enfin, l’analyse d’un écoulement de jeu par une méthode zonale est réalisée (approche LES en tête d’aube, RANS en pied). La simulation de référence obtient des résultats remarquables dans la zone de tête d’aube, en retrouvant notamment les spectres de vitesse expérimentaux. Une seconde simulation avec l’emploi d’un dispositif de contrôle par aspiration au niveau du carter montre deux conséquences principales à ce dispositif: une réduction des niveaux de turbulence aux environs de la tête d’aube, et une modification de la trajectoire du tourbillon de jeu. Celui-ci rencontre l’aube suivante dans la configuration de référence, ce qui n’est plus le cas dans la configuration avec contrôle. Ces deux observations ont une importance certaine dans la réduction des sources acoustiques. / Flows in turbomachines such as jet engines are subject to large vortical structures and strong turbulent intensities. In particular, secondary flows generated in the fan tip region result in energy losses, instabilities and noise radiation. An accurate simulation of such flows can be achieved with large-eddy simulation(LES), which reproduces the most energetic turbulent eddies. In regard of the flowphysics of highly unsteady wall-bounded flows, the SISM (shear-improved Smagorinsky model) is selected to model the sub-grid scales in the present study. This model is local and takes into account the influence of the mean shear. Two smoothing algorithms that are local in space are developed to evaluate the mean flow required by the model : an exponential averaging and an adaptative Kalman filter. These methods are first tested in a channel flow configuration. The numerical approaches are then evaluated on a relevant academic test case :the flow past a circular cylinder in the sub-critical regime (Re = 4, 7 × 104). This flow is dominated by large quasi-periodic vortical structures together with high intensity turbulent fluctuations; quite similarly but much simpler than those found in the tip gap flow. The aerodynamic as well as the acoustic results of the simulations are in very good agreement with the experimental data. A comparative study of the two smoothing algorithms for mean-flow extraction shows that the adaptability of the Kalman filtering leads to slightly better results. Finally, the study of a fan tip-gap flow is carried out with a zonal approach (LES in the tip region, RANS in the hub and midspan region). The reference simulation gives remarkable results in the blade-tip region, particularly for the velocity spectra. A second simulation with a control device by suction through the casing close to the blade leading edge shows two interesting features : a reduction of the turbulence level around the blade tip, and a modification of the tip-vortex trajectory (thus preventing impingement on the adjacent blade). These effects induce a notable reduction of the noise sources.

Ce travail de thèse, mené dans le cadre d’une convention CIFRE entre Snecma, le CERFACS et le LMFA, s’inscrit dans un contexte d’amélioration des performances et d’extension de la plage de fonctionnement des compresseurs de type axial équipant les turboréacteurs. L’une des principales difficultés rencontrée dans cette démarche concerne la maîtrise des écoulements dans la zone de jeu en tête des aubes rotors et qui peuvent entraîner une perte de stabilité du système (pompage et décollement tournant).Une solution technologique prometteuse pour améliorer la stabilité est le traitement de carter qui consiste en un dispositif passif complexe de fentes implantées au carter au droit des rotors. En vue d’en améliorer sa conception, les travaux de thèse visent plus particulièrement à approfondir la compréhension des mécanismes d’action grâce à une approche numérique CFD avec le code elsA développé par l’ONERA et le CERFACS, en modélisation stationnaire et instationnaire. Ces travaux s’articulent autour de trois axes principaux. Le premier a eu pour objectif de développer un outil numérique d’aide à la compréhension des mécanismes d’action des traitements de carter et de diagnostic de leur efficacité. Le principe de l’outil, qui est une extension du modèle initialement proposé par Shabbir et Adamczyk, repose sur une évaluation des contributions des termes des équations de Navier-Stokes stationnaires et instationnaires sur un volume de contrôle pris dans l’écoulement. Dans le cas pratique, cela revient à quantifier les efforts appliqués sur le fluide. Le second axe traite de l’analyse des mécanismes d’action des traitements de carter axisymétriques dans deux compresseurs axiaux : l’un subsonique à carter cylindrique (CREATE) et l’autre transsonique à carter conique (NASA Rotor 37). Les enseignements de cette étude indiquent que ce type de géométrie est marqué par son effet d’aspiration de fluide dans la veine. Ce mécanisme est d’autant plus amplifié par un phénomène d’interaction complexe des fentes avec l’écoulement de jeu et la proximité de l’intrados de l’aube adjacente. Cette partie s’est également attardé à la réponse des rainures à un phénomène instationnaire de type sillage de roue amont. Les résultats ont montré que les fentes amortissent les fluctuations de gradient de pression adverse. Le troisième axe porte sur l’analyse des mécanismes des traitements de carter non-axisymétriques à travers l’étude numérique d’un cas test transsonique à carter cylindrique (CBUUA). Le mécanisme d’action améliorant la stabilité de la machine tient en la capacité des fentes à limiter la migration dans la direction circonférentielle du vortex de jeu. Les résultats montrent que ce type de géométrie est caractérisé par son effet de réinjection d’air qui vient ré-énergétiser l’écoulement proche carter. / This thesis work, conducted as part of a CIFRE agreement between Snecma, CERFACS and LMFA, deals with the context of improving performance and extending the operating range of axial compressors fitted turbojets. One of the main difficulties in this approach is the flow control in the rotor tip region, which can cause the loss of the system stability (surge and rotating stall). A promising technology known to bring substantial stability is the casing treatment. This passive control device consists of slots of complex geometry within the rotor casing. In order to improve its design, the thesis aimed specifically at improving the understanding of their mechanisms through a numerical approach using the CFD code elsA developed by ONERA and CERFACS, with steady and unsteady approaches. This work focused on three main axes. The first concerns the development of a numerical tool to support the understanding of casing treatment mechanisms and the diagnosis of their efficiency. The principle of the tool, which is an extension of the model originally proposed by Shabbir and Adamczyk, is based on an assessment of the contributions of the terms of the steady and unsteady Navier-Stokes equations on a control volume taken in the flow. In practice, this permits to quantify the forces applied to the fluid. The second axis deals with the analysis of the flow mechanisms induced by axisymetric casing treatments in two axial compressors : one subsonic with a cylindrical casing (CREATE) and the other transonic with a conical casing (NASA Rotor 37). The findings of this study indicate that this type of geometry is characterized by its bleeding effect. This mechanism is further amplified by a complex phenomenon of interaction between grooves, tip leakage vortex and the proximity to the pressure side of the adjacent blade. This part has also dwelt on the groove’s response to unsteady upstream stator wakes. The results showed that the slots are able to damp fluctuations of adverse pressure gradient. The third area concerns the analysis of the flow mechanisms induced by non-axisymmetric casing treatment through the numerical study of a transonic compressor with cylindrical casing (CBUUA). The mechanism leading to an enhancement of the stability results in slots ability to limit the migration in the circumferential direction of the tip leakage vortex. The results show that this type of geometry is characterized by its effect of re-injection of fluid that comes re-energize the near casing flow.