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abstract: The three-dimensional flow contained in a rapidly rotating circular split cylinder is studied numerically solving the Navier--Stokes equations. The cylinder is completely filled with fluid and is split at the midplane. Three different types of boundary conditions were imposed, leading to a variety of instabilities and complex flow dynamics. The first configuration has a strong background rotation and a small differential rotation between the two halves. The axisymmetric flow was first studied identifying boundary layer instabilities which produce inertial waves under some conditions. Limit cycle states and quasiperiodic states were found, including some period doubling bifurcations. Then, a three-dimensional study was conducted identifying low and high azimuthal wavenumber rotating waves due to G\"ortler and Tollmien–-Schlichting type instabilities. Over most of the parameter space considered, quasiperiodic states were found where both types of instabilities were present. In the second configuration, both cylinder halves are in exact counter-rotation, producing an O(2) symmetry in the system. The basic state flow dynamic is dominated by the shear layer created in the midplane. By changing the speed rotation and the aspect ratio of the cylinder, the flow loses symmetries in a variety of ways creating static waves, rotating waves, direction reversing waves and slow-fast pulsing waves. The bifurcations, including infinite-period bifurcations, were characterized and the flow dynamics was elucidated. Additionally, preliminary experimental results for this case are presented. In the third set up, with oscillatory boundary conditions, inertial wave beams were forced imposing a range of frequencies. These beams emanate from the corner of the cylinder and from the split at the midplane, leading to destructive/constructive interactions which produce peaks in vorticity for some specific frequencies. These frequencies are shown to be associated with the resonant Kelvin modes. Furthermore, a study of the influence of imposing a phase difference between the oscillations of the two halves of the cylinder led to the interesting result that different Kelvin modes can be excited depending on the phase difference. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Applied Mathematics 2017

Modeling of complex flows involving the combined effects of flow transition and streamline curvature using two advanced turbulence models, one in the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) category and the other in the hybrid RANS-Large eddy simulation (LES) category is considered in this research effort. In the first part of the research, a new scalar eddy-viscosity model (EVM) is proposed, designed to exhibit physically correct responses to flow transition, streamline curvature, and system rotation effects. The four equation model developed herein is a curvature-sensitized version of a commercially available three-equation transition-sensitive model. The physical effects of rotation and curvature (RC) enter the model through the added transport equation, analogous to a transverse turbulent velocity scale. The eddy-viscosity has been redefined such that the proposed model is constrained to reduce to the original transition-sensitive model definition in nonrotating flows or in regions with negligible RC effects. In the second part of the research, the developed four-equation model is combined with a LES technique using a new hybrid modeling framework, dynamic hybrid RANS-LES. The new framework is highly generalized, allowing coupling of any desired LES model with any given RANS model and addresses several deficiencies inherent in most current hybrid models. In the present research effort, the DHRL model comprises of the proposed four-equation model for RANS component and the MILES scheme for LES component. Both the models were implemented into a commercial computational fluid dynamics (CFD) solver and tested on a number of engineering and generic flow problems. Results from both the RANS and hybrid models show successful resolution of the combined effects of transition and curvature with reasonable engineering accuracy, and for only a small increase in computational cost. In addition, results from the hybrid model indicate significant levels of turbulent fluctuations in the flowfield, improved accuracy compared to RANS models predictions, and are obtained at a significant reduction of computational cost compared to full LES models. The results suggest that the advanced turbulence modeling techniques presented in this research effort have potential as practical tools for solving low/high Re flows over blunt/curved bodies for the prediction of transition and RC effects.

La simulation numérique d'écoulements turbulents dans les systèmes de refroi- dissement de joints de pompes hydrauliques demande à considérer des domaines de calcul très étendus et des temps d'intégration très longs. La modélisation hybride RANS/LES zo- nale pourrait permettre de reproduire, dans un temps de calcul acceptable industriellement, l'ensemble des phénomènes thermiques et dynamiques en présence. L'approche consiste à faire interagir une simulation des grandes échelles (LES), représentant finement les phé- nomènes instationnaires de la turbulence dans certaines régions critiques de l'écoulement, avec l'approche statistique (RANS), moins coûteuse numériquement et dont la mise en oeuvre dans le reste du domaine permet de rendre compte des variations globales imposées à l'écoulement (injection d'eau froide dans de l'eau chaude, rotation de l'arbre et de la roue, etc...). Dans cette optique, une étude détaillée des modélisations adaptées aux écoulements en rotation est réalisée, suivant les deux approches RANS et LES. De nombreux modèles de turbulence sont comparés sur un cas test de canal en rotation. Le couplage zonal aux faces de bord par la méthode des structures turbulentes synthétiques (SEM) est étudié et une méthode innovante de couplage volumique par force de rappel (Forçage Linéaire Ani- sotrope) sur une zone de recouvrement RANS/LES est proposée. Ces deux méthodes sont étendues pour la première fois à la thermique. Les simulations hybrides RANS/LES zonales présentées, sur des cas test de canal fixe, en rotation ou en convection forcée, montrent la faisabilité de telles modélisations pour des applications industrielles.

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abstract: The subject of this thesis is concerned with the amount of cooling air assigned to seal high pressure turbine rim cavities which is critical for performance as well as component life. Insufficient air leads to excessive hot annulus gas ingestion and its penetration deep into the cavity compromising disc life. Excessive purge air, adversely affects performance. Experiments on a rotating turbine stage rig which included a rotor-stator forward disc cavity were performed at Arizona State University. The turbine rig has 22 vanes and 28 blades, while the rim cavity is composed of a single-tooth rim lab seal and a rim platform overlap seal. Time-averaged static pressures were measured in the gas path and the cavity, while mainstream gas ingestion into the cavity was determined by measuring the concentration distribution of tracer gas (carbon dioxide). Additionally, particle image velocimetry (PIV) was used to measure fluid velocity inside the rim cavity between the lab seal and the overlap. The data from the experiments were compared to an 360-degree unsteady RANS (URANS) CFD simulations. Although not able to match the time-averaged test data satisfactorily, the CFD simulations brought to light the unsteadiness present in the flow during the experiment which the slower response data did not fully capture. To interrogate the validity of URANS simulations in capturing complex rotating flow physics, the scope of this work also included to validating the CFD tool by comparing its predictions against experimental LDV data in a closed rotor-stator cavity. The enclosed cavity has a stationary shroud, a rotating hub, and mass flow does not enter or exit the system. A full 360 degree numerical simulation was performed comparing Fluent LES, with URANS turbulence models. Results from these investigations point to URANS state of art under-predicting closed cavity tangential velocity by 32% to 43%, and open rim cavity effectiveness by 50% compared to test data. The goal of this thesis is to assess the validity of URANS turbulence models in more complex rotating flows, compare accuracy with LES simulations, suggest CFD settings to better simulate turbine stage mainstream/disc cavity interaction with ingestion, and recommend experimentation techniques. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Mechanical Engineering 2016

Nous présentons une étude expérimentale de l’effet d’une rotation d’ensemble sur les écoulements turbulents statistiquement stationnaires. Dans une première expérience, l’écoulement est entretenu à l’aide de générateurs de tourbillons contrarotatifs agissant de manière périodique dans une cuve en rotation remplie d’eau. Des mesures résolues en temps des trois composantes de la vitesse sont réalisées, dans des plans horizontaux et verticaux, à l’aide d’un dispositif de vélocimétrie stéréoscopique par images de particules embarqué dans le référentiel tournant. L’écoulement étudié présente, conformément à la littérature, une forte anisotropie et montre l’émergence d’un mode 2D énergétique. Pour la première fois expérimentalement, nous décrivons le bilan global d’énergie entre échelles d’une turbulence en rotation à travers la mesure des termes de l’équation de Kármán-Howarth-Monin généralisée au cas inhomogène. Nous mettons ainsi en évidence la présence d’une double cascade d’énergie : directe à petite échelle et inverse à grande échelle, l’échelle de renversement des cascades étant décroissante avec le taux de rotation. Nous évaluons ensuite la puissance injectée qui est intrinsèquement liée au caractère inhomogène de l’écoulement. L’injection d’énergie provient de l’auto-advection des structures turbulentes traversant les frontières de la zone de contrôle. Elle est large bande en échelles et s’étale à mesure que la rotation croît. Nous nous intéressons ensuite à la pertinence des modèles de turbulence d’ondes d’inertie. Nous réalisons tout d’abord une analyse spatio-temporelle qui révèle la présence d’ondes d’inertie linéaires à grande échelle spatiale et grande fréquence temporelle. En revanche, nous montrons que la signature spatio-temporelle des structures turbulentes associées aux échelles et fréquences faibles est brouillée par le processus linéaire de balayage stochastique par le mode 2D énergétique. Dans une seconde expérience, l’écoulement est engendré par une hélice constituée de quatre pales rectangulaires dans une cuve fermée en rotation. Nous évaluons le taux de dissipation d’énergie à travers la mesure de la puissance injectée par le moteur qui entraîne l’hélice. Nous fournissons alors, pour la première fois, une preuve directe de la loi d’échelle du taux de dissipation d’énergie prédite par la turbulence d’onde d’inertie qui est diminuée d’un facteur Rossby par rapport à la loi d’échelle de la turbulence 3D homogène et isotrope. / We present an experimental study of the effect of global rotation on statistically stationary turbulent flows. In a first experiment, the flow is generated with counter-rotating vortex generators acting in a periodic motion in a rotating tank filled with water. Resolved in time measurements of the three component of the velocity are performed, in both horizontal and vertical planes, thanks to a stereoscopic particle image velocimetry system embarked in the rotating frame. The flow has, in accordance with the bibliography, a strong anisotropy and shows the emergence of an energetic 2D flow. For the first time experimentally, we describe the global scale by scale energy budget of a rotating turbulence through the measure of the terms of the inhomogeneous generalization of Kármán-Howarth-Monin equation. We thus reveal a double energy cascade: direct at small scale and inverse at large scale, the scale of cascade reversal decreasing with the rotation rate. Then, we evaluate the injected power into the system which is intrinsically linked to the inhomogeneities of the flow. The energy input comes from auto-advection of turbulent structures through the boundaries of the area considered. It is broadband in scales and spreads as ration increases. We then focus on relevance of inertial wave turbulence models. We first perform a spatiotemporal analysis which reveals the presence of linear inertial waves at large frequencies and scales. However, we show that the spatiotemporal signature of small frequencies and scales are scrambled by the linear process of stochastic sweeping by the 2D energetic mode. In a second experiment, the flow is created thanks to a four-rectangular-blade impeller in a closed rotating tank. We estimate the energy dissipation rate through the measure of the injected power by the motor that drives the impeller. We then bring, for the first time, a direct evidence of the scaling law predicted by inertial wave turbulence models which is fallen by a factor Rossby compared to the scaling law of 3D homogeneous isotropic turbulence.

Ce travail concerne l’étude d’écoulements incompressibles soumis à la rotation avec un solveur haute précision dans des géométries semi-complexes. La technique numérique mise en œuvre combine des schémas compacts, une méthode de projection multi domaine directe et un traitement efficace de la singularité à l’axe basé sur des conditions de parité dans l’espace de Fourier. Le solveur a été parallélisé avec une approche hybride MPI-OpenMP pour réduire les temps de calcul. Dans un premier temps, les précisions spatiales et temporelles de la méthode numérique et la scalabilité du solveur ont été vérifiées. La capacité du solveur à traiter des écoulements plus complexes a été évaluée en considérant des écoulements de type éclatement tourbillonnaire et un écoulement turbulent en conduite cylindrique. Dans un second temps, plusieurs écoulements typiques des machines tournantes ont été étudiés. Le premier écoulement est un écoulement turbulent incompressible isotherme dans un étage simplifié d’un compresseur haute pression d’une turbine à gaz. Les simulations menées ont mises en évidence l’effet de la rotation sur l’écoulement, notamment sur les instabilités se développant le long des parois et sur les différentes structures cohérentes. Le second cas traité est un écoulement turbulent de jet impactant un disque en rotation avec un fort confinement et transfert thermique. Une attention particulière a été portée sur les champs hydrodynamiques et thermique le long du rotor. Enfin, une étude préliminaire d’un jet turbulent impactant un disque fixe d’épaisseur non nulle dans une configuration moins contrainte avec prise en compte du couplage conduction-convection a été réalisée. / This work deals with the study of rotating incompressible flows with a high accurate solver in semi complex geometries. The numerical method used in this work combines compact schemes, a direct multidomain projection method and an efficient axis treatment based on parity conditions in Fourier space. The use of cylindrical coordinates introduces this mathematical singularity. In order to reduce the calculation time, the solver was parallelized with an hybrid MPI-OpenMP parallelization. First, the spatial and temporal accuracies of the numerical method and the scalability of the solver were checked. Then, the capability of the algorithm to deal with more complex flows was verified. Vortex breakdown flows and turbulent pipe flow were studied. In the second step, typical flows of turbomachineries and rotating systems were considered. The first flow was an incompressible isothermal turbulent flow in a high pressure compressor of gas turbine. The different simulations highlighted the rotation effects on the flows, especially on the instabilities appearing along the walls and the coherent structures. The second considered flow was a turbulent impinging jet on a rotating disk with heat transfer in a small aspect ratio cavity. The hydrodynamic fields and heat transfer near the rotor were analyzed in detail. Finally, a preliminary investigation of an impinging jet on a non-rotating disk in a larger aspect ratio cavity with a coupling between conduction and convection transfer was carried out.

Ce travail de thèse, réalisé dans le cadre d’une convention CIFRE entre TURBOMECA et le CERFACS et en partenariat avec l’IVK, se place dans un contexte d’amélioration des performances des turbines axiales équipant les turboréacteurs d’hélicoptère. Un des points critiques du dimensionnement de tels moteurs est la maitrise de la durée de vie des pales de la turbine haute pression qui font face à de très hautes températures provenant de la chambre de combustion. Les prédictions numériques de l’environnement aérothermique des pales (écoulements dans la veine et système de refroidissement) sont réalisées aujourd’hui dans le milieu industriel à l’aide de la modélisation Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS). Grâce à des capacités de calculs grandissantes, l’approche Simulation aux Grandes Echelles (SGE) offre désormais un nouveau potentiel de prédictions d’écoulements. Les travaux de cette thèse s’intéressent ainsi à la capacité de la SGE à prédire l’écoulement du circuit de refroidissement interne d’une pale de turbine. Pour simplifier l’analyse de ce problème ou plusieurs phénomènes physiques sont en jeu, une progression en trois parties est proposée. La première s’intéresse à l’étude aérothermique de géométries simplifiées de canaux de refroidissement (coude à 180° et canal avec promoteurs de turbulence) en configuration statique. Aux régimes d’écoulement considérés, une approche résolue en paroi avec maillage non-structuré hybride est proposée et validée en vue d’une application industrielle facilitée. La seconde partie étend l’analyse de l’écoulement à un cas de canal avec promoteurs de turbulence en rotation utilisant une méthode de résolution numérique dans un repère absolu. Les investigations des résultats de la SGE fournissent des prédictions moyennes et instationnaires en bon accord avec les expériences disponibles et les travaux précédents aussi bien pour la dynamique de l’écoulement que les transferts de chaleur. Enfin, une troisième partie présente une application de la méthode sur un cas de pale réelle avec couplage thermique entre le circuit de refroidissement et le solide de la pale. Cette dernière partie classée confidentielle n’est pas présente dans le manuscrit disponible publiquement. Les résultats de l’approche résolue en paroi et de la rotation dans le repère absolu comparés aux résultats RANS disponibles pour le cas applicatif montrent d’importante différences locales et ainsi le potentiel de la méthode proposée. / This PhD dissertation, conducted as part of a CIFRE research project between TURBOMECA and CERFACS in partnership with the VKI, deals with improving performance of axial turbines from helicopter engines. One of the most critical design points of such engines is the control of the high pressure turbine blade lifetime which face the high temperatures from the combustor. Today, industrial numerical aerothermal predictions of the flows around the blade (in the vein and in its cooling system) are performed with the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS). Thanks to the increasing computational power, Large Eddy Simulation (LES) becomes affordable to offer further flow predictions. Therefore, this thesis focuses on the capabilities of the LES to estimate the flow in turbine blade internal cooling channels. To simplify this analysis where several physical phenomenon are present, the problem is described in three parts with increasing complexity. The first part addresses simplified typical geometries of cooling channel (U-bend and ribbed channel) in a static configuration. Considering the flow regime, a wall-resolved approach using a hybrid unstructured mesh is proposed in view of the application on an industrial case. The second part extends the study of the ribbed channel in rotation using an inertial reference frame. LES provides mean and unsteady results in good agreement with the available experimental data and previous works, for the flow dynamic and the heat transfer. Finally, the third part presents the application of the method to an industrial case with conjugate heat transfer between a complex cooling channel and the blade. This last section is not present in the public manuscrit for confidential reasons. Results of the use of the wall-resolved approach in rotation in an inertial frame of reference are compared to RANS predictions and show the potential of the method with high local differences.