The stable operating range of axial compressors is limited by the onset of rotating stall and surge. Mass injection upstream of the tip of an axial compressor rotor is a stability enhancement approach which can be effective in suppressing stall in tip-critical rotors, and thus increasing the operating range of compressors. In this article, investigations on active flow control related to the rotor tip gap sensitivity are discussed. The experiments were performed in a 1.5-stage low-speed research compressor. Measurements at part speed (80 per cent) and full speed (100 per cent) with varying injection rates are discussed. These tests were performed for two rotor tip clearances of 1.3 per cent and 4.3 per cent of rotor blade tip chord. Results on the compressor map, the flow field as well as transient measurements to identify the stall inception are discussed. Supplementary, the numerical results are compared to the experiments based on the configuration with the greatest benefit in operating range enhancement.

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La réduction de l’impact environnemental est aujourd’hui l’un des défis cruciaux de l’industrie aéronautique. La poursuite d’une moindre consommation des aéronefs a conduit à concevoir des systèmes propulsifs en géneral, et des étages de compression en particulier, toujours plus compacts et chargés. Cette tendance dans la conception des moteurs est directement responsable de l’accentuation du caractère instationnaire des écoulements internes ainsi que de la favorisation dans l’émergence de phénomènes entrainant la perte de stabilité. L’étude expérimentale, conduite pendant ce projet de thèse, porte sur la caractérisation des écoulements dans un étage de compresseur axial en phase émergente et stabilisée du décrochage tournant, grâce à des mesures instationnaires de pression pariétale et de vitesse. L’étude doit son originalité à l’utilisation et au développement de techniques de post-traitement non-standard. La transformée par ondelettes se révèle être un outil particulièrement intéressant à la détection de structures cohérentes de brève durée, telles que le précurseur de type « spike » ainsi que les caractéristiques instantanées d’une cellule de décrochage tournant. A côté de cette approche d’analyse d’un signal localisé, différentes procédures de calcul de champs en moyenne de phase ont été mises au point, chacune adaptée aux spécificités du phénomène étudié et de la procédure expérimentale suivie. Il a été ainsi possible de suivre l’évolution des caractéristiques du champ de pression du régime nominal jusqu’à l’installation du décrochage tournant. L’alignement de la trajectoire du tourbillon de jeu avec la section d’entrée du rotor est associé au déclenchement du décrochage par précurseur de type « spike ». La comparaison entre les champs en phase transitoire et en décrochage établi, amène à affirmer que le précurseur n’est que le stade embryonnaire d’évolution du phénomène du décrochage. L’approche a, en outre, permis d’apprécier la complexité de la structure « interne » de la cellule qui apparait comme la succession d’une phase de propagation de décollement, une zone fortement débitante à charge presque nulle et une phase de ré-attachement de l’écoulement. / The reduction of the environmental impact is nowadays one of the crucial challenges of the aeronautic industry. The quest to lower the consumption of aircrafts has led to more compact and higher loaded engines in general, and especially compressor stages. This leads an increase of the internal flow unsteadiness and to the occurrence of unstable phenomena. The experimental study, performed during this work, concerns the characterization of flows in an axial compressor stage during both the emergence of rotating stall and its stabilized phase, by means of unsteady pressure and velocity measurements. The originality of the work proposed resides in the use and the development of non-standard data processing methods. The wavelets transform reveals to be an interesting tool for the detection of short coherent structures, like the spike-type precursor as well as the instantaneous features of a rotating stall cell. Beside this local approach, different procedures for phase-locked field measurements were developed, according to the specification of each studied phenomenon and the experimental proceedings. Thanks to these methods, it was possible to highlight the pressure field evolution until the development of the rotating stall regime. The alignment of the tip leakage vortex with the rotor inlet section forecasts a spike type stall onset. The comparison between transitional phase and fully developed stall fields conducts to assert that the precursor represent only the embryonic stage of the rotating stall evolution. This approach led to appreciate the complexity of the internal structure of the cell that appears to be the succession of stall propagation phase, zero-loaded high flow rate region and reattachment phase

The quest to accurately capture flow phenomena with length-scales both short and long and to accurately represent complex flow phenomena within disparately sized geometry inspires a need for an efficient, highidelity, multi-block structured computational fluid dynamics (CFD) parallel computational scheme. This research presents and demonstrates a more efficient computational method by which to perform multi-block structured CFD parallel computational simulations, thus facilitating higheridelity solutions of complicated geometries (due to the inclusion of grids for "small" flow areas which are often merely modeled) and their associated flows. This computational framework offers greater flexibility and user-control in allocating the resource balance between process count and wallclock computation time. The principal modifications implemented in this revision consist of a "multiple grid-block per processing core" software infrastructure and an analytic computation of viscous flux Jacobians. The development of this scheme is largely motivated by the desire to simulate axial compressor stall inception with more complete gridding of the flow passages (including rotor tip clearance regions) than has been previously done while maintaining high computational efficiency (i.e., minimal consumption of computational resources), and thus this paradigm shall be demonstrated with an examination of instability in a transonic axial compressor. However, the paradigm presented herein facilitates CFD simulation of myriad previously impractical geometries and flows and is not limited to detailed analyses of axial compressor flows. While the simulations presented herein were technically possible under the previous structure of the subject software, they were much less computationally efficient and thus not pragmatically feasible; the previous research using this software to perform three-dimensional, full-annulus, timeurate, unsteady, full-stage (with sliding-interface) simulations of rotating stall inception in axial compressors utilized tip clearance periodic models, while the scheme here is demonstrated by a simulation of axial compressor stall inception utilizing gridded rotor tip clearance regions. As will be discussed, much previous research --- experimental, theoretical, and computational --- has suggested that understanding clearance flow behavior is critical to understanding stall inception, and previous computational research efforts which have used tip clearance models have begged the question, "What about the clearance flows?". This research begins to address that question.

Se realiza un modelo CFD-3D de un compresor centrífugo. Se determina la configuración numérica adecuada para simular puntos de funcionamiento cercanos a bombeo. Se validan los resultados frente a ensayos experimentales realizados en cámara anecoica. Se analizan los resultados, justificando las características del ruido emitido por el compresor a partir de los patrones de flujo encontrados. En particular, se analiza el flujo en la holgura entre los álabes y la carcasa del compresor y en la parte posterior del rodete. Por último, se analiza la influencia de las geometrías aguas arriba del compresor en el ruido producido por éste. / Navarro García, R. (2014). A numerical approach for predicting flow-induced acoustics at near-stall conditions in an automotive turbocharger compressor [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/44114 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales

A centrifugal compressor is a mechanical machine with purpose to convert kineticenergy from a rotating impeller wheel into the fluid medium by compressingit. One application involves supplying boost air pressure to downsized internalcombustion engines (ICE). This allows, for a given combustion chamber volume,more oxygen to the combustion process, which is key for an elevated energeticefficiency and reducing emissions. However, the centrifugal compressor is limitedat off-design operating conditions by the inception of flow instabilities causingrotating stall and/or surge. These instabilities appear at low flow rates andtypically leads to large vibrations and stress levels. Such instabilities affectthe operating life-time of the machine and are associated with significant noiselevels.The flow in centrifugal compressors is complex due to the presence of a widerange of temporal- and spatial-scales and flow instabilities. The success fromconverting basic technology into a working design depends on understandingthe flow instabilities at off-design operating conditions, which limit significantlythe performance of the compressor. Therefore, the thesis aims to elucidate theunderlying flow mechanisms leading to rotating stall and/or surge by means ofnumerical analysis. Such knowledge may allow improved centrifugal compressordesigns enabling them to operate more silent over a broader operating range.Centrifugal compressors may have complex shapes with a rotating partthat generate turbulent flow separation, shear-layers and wakes. These flowfeatures must be assessed if one wants to understand the interactions among theflow structures at different locations within the compressor. For high fidelityprediction of the complex flow field, the Large Eddy Simulation (LES) approachis employed, which enables capturing relevant flow-driven instabilities underoff-design conditions. The LES solution sensitivity to the grid resolution usedand to the time-step employed has been assessed. Available experimentaldata in terms of compressor performance parameters, time-averaged velocity,pressure data (time-averaged and spectra) were used for validation purposes.LES produces a substantial amount of temporal and spatial flow data. Thisnecessitates efficient post-processing and introduction of statistical averagingin order to extract useful information from the instantaneous chaotic data. Inthe thesis, flow mode decomposition techniques and statistical methods, suchas Fourier spectra analysis, Dynamic Mode Decomposition (DMD), ProperOrthogonal Decomposition (POD) and two-point correlations, respectively, areemployed. These methods allow quantifying large coherent flow structures atvfrequencies of interest. Among the main findings a dominant mode was foundassociated with surge, which is categorized as a filling and emptying processof the system as a whole. The computed LES data suggest that it is causedby substantial periodic oscillation of the impeller blade incidence flow angleleading to complete system flow reversal. The rotating stall flow mode occurringprior to surge and co-existing with it, was also captured. It shows rotating flowfeatures upstream of the impeller as well as in the diffuser. / <p>QC 20171117</p>

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Actuellement, la flexibilité et le stockage de l'énergie sont parmi les principaux défis de l'industrie de l'énergie. Les stations de transfert d'énergie par pompage (STEP), en utilisant des turbines-pompes réversibles, comptent parmi les solutions les plus rentables pour répondre à ces besoins. Pour assurer un réglage rapide du réseau électrique, les turbines-pompes sont sujettes à de rapides changements entre modes pompage et turbinage. Elles sont souvent exposées à un fonctionnement prolongé dans des conditions hors nominal. Pour assurer la stabilité du réseau, la zone d'exploitation continue de turbines-pompes réversibles doit être libre de toute instabilité hydraulique. Deux sources principales d'instabilités en mode pompage peuvent limiter la plage de fonctionnement continu. Il s'agit de la présence de cavitation et de décollement tournant, tous deux survenant à charge partielle. La cavitation peut conduire à des vibrations, des pertes de performance et parfois même à l'érosion de la turbine-pompe. En outre, en raison de décollements tournants (apparition et décomposition périodique de zones de recirculation dans les régions du distributeur), la machine peut être exposée à un changement incontrôlable entre les points de fonctionnement, avec une modification de charge et une baisse significative des performances. Les deux phénomènes sont très complexes, tri-dimensionnels et délicats à étudier. Surtout le phénomène de décollement tournant dans les turbines-pompes est peu abordé dans la littérature. Le premier objectif de l'étude du doctorat présenté a été d'utiliser un code numérique, testé au laboratoire, et de développer une méthodologie de calcul pour permettre la prévision des phénomènes à charge partielle. L'étude a été faite sur une géométrie à échelle réduite d'une turbine-pompe de haute chute. Des calculs numériques ont été effectués en utilisant le code FINE/Turbo avec le modèle de cavitation barotrope qui a été développé au laboratoire. L'analyse des écoulements cavitants a été faite pour des débits et de niveaux de cavitation différents. Les principales analyses portent sur des valeurs naissantes de cavitation, des courbes de chute et sur le prédiction des formes de cavitation pour différents débits et valeurs de NPSH. Une attention particulière a été portée sur l'interaction entre les formes de cavitation à l'entrée de la roue et la baisse de performance (zone de feston), causée par le décollement tournant qui apparaît dans la région du distributeur. Les résultats numériques ont montré un bon accord avec les données expérimentales disponibles. La deuxième partie de la thèse a concerné la prédiction et l'analyse de décollements tournants. Des simulations ont été utilisées pour prédire les régions d'exploitation stables et instables de la machine. La méthodologie mentionnée pourrait fournir des résultats globaux précis pour différents points de fonctionnement avec un faible coût de calcul. Afin d'obtenir des informations détaillées sur les écoulements instables, des simulations instationnaires plus précises ont été réalisées. L'analyse locale des écoulements a permis la description des mécanismes gouvernant le phénomène de décollement tournant. Les analyses permettent l'étude du nombre, de l'intensité et des fréquences de rotation des cellules tournants. En outre, les calculs instationnaires donnent une très bonne prédiction de la performance de la turbine-pompe. L'approche proposée est fiable, robuste et précise. La méthodologie de calcul proposée peut être utilisée sur plusieurs géométries de turbine-pompe (ou pompe centrifuge), pour une large gamme de débits et de géométries de directrices. Les simulations proposées peuvent être utilisées à l'échelle industrielle pour étudier les effets de géométrie, d'angles d'ouverture de directrices ou de l'influence du jeu entre la roue et le distributeur afin de réduire ou même éliminer les effets négatifs des décollements tournants. / Flexibility and energy storage seem to be the main challenges of the energy industry at the present time. Pumped Storage Power Plants (PSP), using reversible pump-turbines, are among the most cost-efficient solutions to answer these needs. To provide a rapid adjustment to the electrical grid, pump-turbines are subjects of quick switching between pumping and generating modes and to extended operation under off-design conditions. To maintain the stability of the grid, the continuous operating area of reversible pump-turbines must be free of hydraulic instabilities. Two main sources of pumping mode instabilities are the presence of the cavitation and the rotating stall, both occurring at the part load. Presence of cavitation can lead into vibrations, loss of performance and sometimes erosion. Moreover, due to rotating stall that can be observed as periodic occurrence and decay of recirculation zones in the distributor regions, the machine can be exposed to uncontrollable shift between the operating points with the significant discharge modification and the drop of the efficiency. Both phenomena are very complex, three-dimensional and demanding for the investigation. Especially rotating stall in the pump-turbines is poorly addressed in the literature. First objective of the presented PhD study has been to develop the cost-efficient numerical methodology in order to enable the accurate prediction and analysis of the off-design part load phenomena. The investigations have been made on the reduce-scaled high head pump-turbine design (nq = 27rpm) provided by Alstom Hydro. Steady and unsteady numerical calculations have been performed using code FINE/Turbo with barotropic cavitation model implemented and developed before in the laboratory. Some of the numerical results have been compared to the experimental data. Cavitating flow analysis has been made for various flow rates and wide range of cavitation levels. Flow investigation has been focused on the cavitation influence on the flow behavior and on the performance of the machine. Main analyses include incipient cavitation values, head drop curves and cavitation forms prediction for wide ranges of flow rates and NPSH values. Special attention has been put on the interaction between cavitation forms and the performance drop (hump zone) caused by the rotating stall. Cavitation results showed good agreement with the provided experimental data. Second part of the thesis has been focused on the prediction and analysis of the rotating stall flow patterns. Computationally fast steady simulations has been presented and used to predict stable and unstable operating regions. The analyses have been done on 4 different guide vanes openings and 2 guide vanes geometries. In order to get detailed information about the unsteady flow patterns related to the rotating stall, more exact unsteady simulations have been performed. Local flow study has been done to describe in details the governing mechanisms of the rotating stall. The analyses enable the investigations of the rotating stall frequencies, number of stalled cells and the intensity of the rotating stall. Moreover, the unsteady calculations give very good prediction of the pump-turbine performance for both, stable and unstable operating regions. Numerical results give very good qualitative and quantitative agreement with the available experimental data. The approach appears to be very reliable, robust and precise. Even though the numerical results (rotating stall frequencies, number of cells...) on the actual geometry should be confirmed experimentally, author believes that the methodology could be used on any other pump-turbine (or centrifugal pump) geometry. Moreover, the simulations can be used industrially to study the effects of the guide vanes geometries, guide vanes opening angles and influence of the gap between the impeller and the distributor in order to reduce or even eliminate the negative effects of the rotating stall.

This thesis deals with a procedure for determining the complete processing of aerodynamic flow instabilities (rotating stall and surge) in a centrifugal compressor. At small flows the performance of a compressor system is limited by the surge line, which is caused by flow instabilities. Numerical solution is obtained using the method of transfer matrix. This system is simulated through several models with local resistances that represent the dissipation of pressure energy. Pulses are excitated in these models by the pressure jump placed before the centrifugal compressor. From the frequency-amplitude characteristics for the selected range of frequencies and flow the impedance characteristic of the compressor system is determined. We are looking for problematic frequencies in this characteristic that cause flow instabilities in the compressor system.

Les études expérimentales et numériques suivantes visent à la compréhension profonde de l’écoulement se développant dans le compresseur haute-vitesse axial de 3.5 étages CREATE, étudié sur un banc d’essai de 2 MW au Laboratoire de Mécanique des Fluides et Acoustique (LMFA) à Lyon, France. Ce travail a trois objectifs principaux : D’abord, une description globale de l’écoulement avec une identification des limites aux méthodes d’exploration utilisées ; Ensuite, la caractérisation de l’effet du clocking stator-stator dans un compresseur à haute-vitesse ; Troisièmement, l’identification des instabilités à faibles débits pour confirmer les études sur les compresseurs à basse-vitesse et contribuer à plus de compréhension.Il est montré qu’une mauvaise interprétation des données de performance stationnaire se fait facilement en raison des contraintes de mesure et des coefficients de correction sont proposés. À certains endroits dans le compresseur, des limites aux méthodes d’exploration (expérimentales et numériques) de l’écoulement sont identifiées. Cette identification va permettre la poursuite du développement des méthodes. Les principales erreurs de prédiction des simulations concernent la surestimation du blocage induit par l’écoulement de jeu et l’augmentation de pression. En outre, les mesures fournies par les sondes de pression pneumatique surestiment la pression statique en amont des stators. Cette erreur est probablement provoquée par l’interaction entre le champ potentiel du stator et la sonde elle-même. De plus, l’anémométrie Doppler laser surestime la vitesse en aval des stators. Le transport des sillages du rotor à travers des stators n’est pas correctement capturé avec les particules d’ensemencement.Le clocking a seulement un petit effet global dans la bande d’incertitude de mesure dans ce compresseur. Plusieurs contributions à ce faible effet de clocking sont identifiées par l’analyse du transport des structures d’écoulement : Le mélange circonférentiel du sillage de stator et la déformation des sillages le long de leur trajet dans l’écoulement. L’effet local du clocking dépend de la hauteur de veine en raison de la variation de la forme des aubages et du transport des sillages. Des effets positifs et négatifs sont présentés, qui globalement se compensent dans ce compresseur. Les instabilités dans ce compresseur dépendent du point de fonctionnement et des méthodes d’exploration de l’écoulement. Aux points de fonctionnement stables et à la vitesse nominale du compresseur, les résultats numériques montrent une perturbation tournante dans les rotors 2 et 3, alors que les mesures montrent une perturbation tournante que dans le premier rotor et seulement à basse vitesse du compresseur. Dans les deux cas, les perturbations montrent des caractéristiques semblables. Une étude numérique permet d’exclure l’influence des interactions rotor-stator sur la perturbation tournante et met en évidence sa source. Des nouvelles connaissances sur le comportement stable et la périodicité du rotating instability (mesuré) sont dérivées contrairement au comportement instable suggéré par la dénomination et la littérature. Il est montré que cette perturbation évolue en cellule de décrochage tournante à l’approche de la limite de stabilité. A la vitesse nominale du compresseur, une entrée en instabilités de type spike est identifiée expérimentalement. Une description précise de l’apparition brutale du spike et sa différence par rapport à une cellule de décollement tournant sont présentées. / The following experimental and numerical investigations aim at the deep understanding of the flow field in the 3.5 stages high-speed axial compressor CREATE, studied on a 2 MW test rig at the Laboratory of Fluid Mechanics and Acoustics (LMFA) in Lyon, France. This work focuses on three major objectives: Firstly, a global description of the flow field with an identification of limitations to the used exploration methods; Secondly, the characterization of the effect of stator-stator clocking in a high-speed compressor; Thirdly, the identification of instabilities arising at low mass flow rates for confirming studies on low-speed compressors and giving new insights.This work demonstrates that a mis-interpretation of steady performance data occurs easily due to measurement constraints and correction coefficients are proposed. At certain locations in the compressor, the flow field exploration (experimental and numerical) methods are identified to be challenged. This identification will initiate further development of the methods. The main mis-predictions of the simulations concern the over-prediction of the blockage induced by the tip leakage flow and eventually an over-predicted pressure rise. Furthermore, the measurements provided by the pneumatic pressure probes over-estimate the static pressure upstream of the stators. This error is induced by the interaction between the stator potential field and the probe it-self. In addition, the laser Doppler anemometry method over-estimates the velocity downstream the stators. The transport of the rotor wakes through the stators might not be correctly captured with the seeding particles in this high-speed compressor.The investigation of the stator clocking reveals only a small global effect within the measurement uncertainty band. Several contributions to the weak effect of clocking are identified by analysis of the flow structure transport, namely the time-mean mixing out of the stator wakes and the deformation of wakes along their flow path. The local effect of clocking depends on the span-height because of the variation of the circumferential position of the stator wakes and the stator blade shape over the span-height. Local possible positive and negative effects of clocking are identified and are shown to be almost in balance in this compressor. Furthermore, this work demonstrates that the unsteadiness in the flow field is not linked conclusively to the stator clocking.In this compressor, the arising instabilities depend on the operating point and flow field exploration methods. At stable operating points and nominal compressor speed, the numerical results reveal a rotating disturbance in the rotors 2 and 3, whereas the measurements show a rotating disturbance only in the first rotor and only at part speed. In both cases the disturbance exhibits rotating instability like characteristics. An exhaustive numerical study allows to exclude the commonly assumed influence of rotor-stator interactions on the rotating disturbance and pinpoints its source. New insights into the stable behavior and periodicity of the measured rotating instability are derived contrary to the unstable behavior suggested by the naming and literature. This disturbance is shown to evolve into rotating stall cells when approaching the stability limit. At nominal compressor speed, a spike type surge inception is identified I n the measured field. A precise description of the abrupt onset of the spike cell and its difference to a rotating stall cell are presented.