The effects of trailing edge flow control on the wakes of a linear cascade of idealized fan blades was investigated experiments with a view to the likely effects on broadband aircraft engine interaction noise. Single and three-component hotwire velocity measurements were made downstream of the cascade for a chord Reynolds number of 390,000 and a Mach number of 0.07. Measurements of the two-point velocity correlation were used extensively to evaluate the impact of various flow control strategies on the organization of the coherent structures of the wakes and their potential to generate noise. A baseline flow was established by measuring the wake downstream of unmodified GE-Rotor-B blades. Four sets of serrated trailing edge blades (with two different serration sizes and with two trailing edge cambers) and three sets of blades with trailing edge blowing (a simple rectangular slot, rectangular slot with Kuethe-vane vortex generators, and rectangular slot with serrated lips) were tested. The serrated trailing edges introduce corrugations into the wake, increase the wake decay and width as well as turbulence levels (possibly because of the blunt trailing edge created at the serration valley). The serrated trailing edges also increase the turbulence scales in the direction perpendicular to the plane of the wake because of the injection of streamwise vorticity. In almost all cases the serrations reduce the spanwise and streamwise turbulence scales. Serrations do not, however, affect the apparent time scale of quasi-periodic structures in the wake, and this appears to limit the potential of this trailing edge treatment to reduce broadband noise. The analysis of the characteristic eddies (obtained from proper orthogonal decomposition combined with linear estimation) revealed that the serrations do not change the qualitative form of the eddies. Trailing edge blowing was found to significantly decrease the wake deficit and width as well as the turbulence levels at all blowing rates. Blowing through the simple rectangular slot, at mass flow rates between 1.4 and 2.0% of the total passage through flow, was shown to significantly affect the size, the organization and the strength of the coherent structures. For small blowing rates the strong spanwise eddies near the trailing edge actually appear to be enhanced. For larger blowing rates, however, the turbulent scales are reduced in all directions. The addition of Kuethe vanes on the suction side of the blowing blade results in a low momentum region just downstream of the vanes that may result from flow separation there. This further enhances the shedding and increases the blowing rate needed to overcome it. The serrated blowing blades show the greatest potential to reduce broadband noise as they reduce the turbulence levels and scales without creating potentially detrimental structures. While no acoustic measurements were made, analysis of hypothetical perpendicular and parallel interactions of blades with these wakes has made possible to characterize for the first time the impact of the changes in the eddy structure of these wakes on their potential to generate broadband noise. The serrated trailing edges (especially the larger serrations) actually increase the potential of the wake to generate broadband noise (a direct consequence in the overall increase in turbulence scale and intensity). In contrast, every trailing edge blowing configuration was found to produce large reductions in the potential noise (a maximum of 6dB reduction was obtained at 2.0% blowing). The addition of Kuethe vanes on the suction side of the blowing blades significantly reduced the efficiency of the simple blowing configuration (a result of the increased coherency associated with the shedding of streamwise vorticity by the vanes). The serrated blowing configuration was found to yield reductions similar to the simple blowing configuration. / Ph. D.

An innovative application of existing technology is proposed for attenuating the effects of transient phenomena, such as rotor-stator and rotor-strut interactions, linked to noise and fatigue failure in turbomachinery environments. A computational study was designed to assess the potential of Passive Porosity Technology as a mechanism for alleviating interaction effects and radiated noise by reducing the fluctuating forces acting on the vane surfaces. The study involved a typical high bypass fan stator airfoil immersed in a subsonic free field and exposed to the effects of a transversely moving wake. Time histories of the primitive aerodynamic variables obtained from Computational Fluid Dynamics (CFD) calculations were input into an acoustic prediction code to estimate noise levels at a radial distance of ten chords from the stator airfoil. This procedure was performed on the solid airfoil to obtain a baseline, and on approximately fifty porous configurations in order to isolate those that would yield maximum noise reductions without compromising the aerodynamic performance of the stator. It was found that, for a single stator immersed in a subsonic flow field, communication between regions of high pressure differential - made possible by the use of passive porosity - tends to induce a time-dependent oscillatory pattern of small inflow-outflow regions near the stator leading edge (LE), which is well established before wake effects come into play. The oscillatory pattern starts at the LE, and travels downstream on both suction and pressure sides of the airfoil. The amplitude of the oscillations seemed to be proportional to the extension of the porous patch on the pressure side. Regardless of this effect, which may not have occurred if the airfoil were placed within a stator cascade, communication between regions of high pressure differential is necessary to significantly alter the noise radiation pattern of the stator airfoil. Whether those changes result in noise abatement or enhancement depends primarily on the placement and extension of the porous patches. For most viable configurations, porosity reduced loading noise but increased thickness noise. Variations in nominal porosity were of secondary importance. In general, the best aerodynamic performers (i.e., those configurations that were able to reduce unsteady lift without severely altering the lift and/or drag characteristics of the solid airfoil) were also the best acoustic performers. As a result of using passive surface porosity, overall peak radiated noise was reduced by approximately 1.0 dB. This reduction increased to about 2.5 dB when the effects of loading noise alone were considered. / Ph. D.

Le bruit tonal d’interaction rotor-stator, généré par l’impact des sillages issus des pales d’un rotorsur la grille d’aubes d’un stator redresseur, contribue de manière déterminante au bruit d’origineaérodynamique des turbomachines axiales carénées, qui équipent une large part des systèmes de propulsionaéronautique et de conditionnement d’air. La prédiction du bruit par l’utilisation de simulationsnumériques demeure onéreuse, notamment dans les premières phases de conception lorsque de nombreusesconfigurations doivent être testées. Dans cette optique, l’approche analytique choisie dans cettethèse apporte une alternative tout à fait appropriée. Les modèles analytiques basés sur une fonctionde réponse aéroacoustique de profil isolé ne permettent pas de reproduire l’effet de grille engendrépar le nombre important d’aubes de stator. Inversement, de fortes approximations sont nécessairespour décliner les fonctions de réponse de grilles d’aubes existantes dans des configurations tridimensionnelles.Le formalisme proposé, basé sur la méthode de raccordement modal, permet d’introduiresimplement l’effet de grille dans une géométrie annulaire d’étage rotor-stator. Un modèle de réponse degrille rectilinéaire bidimensionnel est tout d’abord présenté pour la transmission d’ondes acoustiques àtravers le stator ainsi que pour la génération de bruit par l’impact de rafales hydrodynamiques. Dansce cadre, une analyse linéaire et non visqueuse est considérée, pour laquelle les modes acoustique ettourbillonnaire d’un gaz sont couplés par le biais des frontières rigides. Les perturbations de vitessesliées aux sillages sont modélisées comme des rafales convectées. Leur impact sur la grille de statorgénère des ondes acoustiques se propageant en amont, en aval ainsi que dans les espaces inter-aubesdu stator, vu comme un réseau périodique de guides d’ondes. Les sections de bords d’attaque et defuite des aubes sont considérées comme des interfaces sur lesquelles la continuité des fluctuations depression, de vitesse axiale et de vorticité est vérifiée. Un système d’équations est ainsi obtenu, puisrésolu par des projections sur les bases modales du conduit et des inversions matricielles. Le champacoustique rayonné est ainsi déterminé uniformément dans tout le domaine. Les résultats issus de cesmodélisations sont comparés à ceux des fonctions de réponse de grilles d’aubes rectilinéaires issues dela littérature, montrant un très bon accord avec les modèles basés sur la technique de Wiener-Hopf. Leformalisme est par la suite étendu aux grilles annulaires par l’ajout de fonctions de Bessel comme fonctionsde forme radiale exprimant les effets tridimensionnels. Finalement, une procédure est présentéepour rendre compte de l’hétérogénéité des aubes de stator, caractéristique des nouvelles architecturesde turbomachines. Cette méthodologie est basée sur l’emploi conjoint du principe du dipôle de bordd’attaque et de la fonction de réponse aéracoustique de la grille de stator à l’aide de la technique deraccordement modal. Le principe de dipôle de bord identifie le chargement instationnaire des aubesinduit par l’impact de rafales hydrodynamiques, calculé par le formalisme d’Amiet, avec la trace duchamp de pression acoustique produit par un dipôle placé au voisinage du bord de l’aube. Les prédictionsissues de ce modèle, appliqué dans un cadre bidimensionnel, sont ensuite comparées à des mesuresobtenues pendant la campagne d’essais du projet SEMAFOR. / The rotor-stator wake-interaction tonal noise, generated by the impingement of rotor wakes onoutlet guide vanes, plays a crucial role in the aerodynamic noise of axial-flow ducted fan stages. Thelatter are widely used in most aeronautic propulsion and air-conditioning systems. The noise predictionby means of numerical simulations remains expensive, especially at the preliminary design stage whennumerous configurations must be tested. In this respect, the analytical approach chosen in this thesisprovides a well suited alternative. The analytical modeling based on an isolated-airfoil response functioncan not reproduce the cascade effect introduced by the large number of stator vanes. Conversely, drasticapproximations are required to extend the current cascade response functions to three-dimensionalconfigurations. The proposed modeling based on the mode-matching technique simply introduces thecascade effect in an annular rotor-stator stage. A rectilinear cascade response function is firstly presentedto account for the acoustic transmission through the stator along with the wake-interaction noise.In this context, a linearized and non-viscous analysis is carried out, in which the acoustic and vorticalmodes of a gas are coupled at rigid physical boundaries. The velocity perturbations issued from thewakes are written as a sum of convected gusts. Their impingement on the cascade of vanes generatesacoustic waves propagating upstream, downstream of the cascade, as well as inside the inter-vane channelsof the stator, seen as a periodic array of bifurcated waveguides. The duct cross sections at theleading-edge and the trailing-edge of the vanes are seen as interfaces on which the continuity of thefluctuating pressure, axial velocity and vorticity is fulfilled. A system of linear equations is obtained,then solved by means of modal projections and matrix inversions. The acoustic field is then uniformlycalculated in the whole domain. Comparisons with rectilinear cascade response functions show a verygood agreement with predictions based on the Wiener-Hopf technique. The configuration of an annularcascade is addressed by introducing the Bessel functions as radial shape functions, expressing threedimensionaleffects. Finally, a procedure is presented to account for the heterogeneity of the statorvanes, typical of modern fan architectures. This approach is based on the combinaison of the leadingedgedipole principle and the cascade response function derived from the mode-matching technique.The edge-dipole principle identifies Amiet’s solution for the unsteady loading and the radiation of adipole approached very close to the edge of a half plane. The predictions provided by this modeling,applied in a two-dimensional configuration, are finaly compared to measurements performed in the testcampaign of the SEMAFOR project.

Ce travail est le produit d’une collaboration entre le LMFA (Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique, École Centrale de Lyon – France), Snecma et le Cerfacs. Il vise à étudier l’écoulement se développant dans le compresseur haute-vitesse axial de 3.5 étages CREATE (Compresseur de Recherche pour l’Etude des effets Aérodynamique et TEchnologique – vitesse de rotation : 11543 tr/min, vitesse en tête de rotor 1 : 313 m/s), conçu et construit par Snecma et étudié au LMFA sur un banc d’essai de 2 MW. Pour étudier l’écoulement, des mesures stationnaires de pression et température, de la vélocimétrie laser et des mesures rapides de pression statique et totale ont été utilisées. L’analyse se concentre sur deux aspects principaux : l’étude de l’écoulement aux points de fonctionnement stables, avec un intérêt tout particulier pour les interactions rotor-stator, et l’étude des instabilités apparaissant dans la machine à faibles débits.La description de l’écoulement instationnaire aux points stables est faite par le biais de mesures de pression statique en parois, de pression totale et de vitesse, mais également de température totale, entropie et angle d’incidence du fluide. Il est montré que la complexité et l’instationnarité de l’écoulement dans un compresseur multiétagé augmente fortement à l’arrière de la machine à cause des interactions entre les roues fixes et mobiles. Ainsi, une méthode d’analyse modale basée sur la décomposition de Tyler et Sofrin a été développée pour analyser ces interactions. Elle est d’abord appliquée aux mesures de pression afin d’extraire les contributions de chaque roue. Il est ainsi montré que les interactions complexes de pression dans CREATE peuvent être réduites à trois principaux types d’interactions. La méthode de décomposition est enfin appliquée au champ d’entropie dans toute la machine extrait de calculs CFD URANS réalisés par le Cerfacs, afin d’évaluer l’impact des interactions sur les performances de CREATE en terme de génération de pertes.La dernière partie de ce travail est dédié à l’analyse des instabilités apparaissant dans CREATE à faible débit. Il est montré que des ondes de pression tournantes apparaissent aux points stables et augmentent en amplitude à mesure qu’on se rapproche de la ligne de pompage, jusqu’à atteindre une taille critique induisant l’apparition d’une cellule de décollement tournant sur toute la hauteur de veine. Cette cellule entraîne la machine en pompage en seulement quelques tours. L’étude de ces ondes de pression, et la compréhension de leur véritable nature sont réalisées grâce à l’application d’un modèle analytique aux mesures expérimentales. Une description précise du déclenchement et du cycle du pompage est également faite grâce aux mesures de pression statique au dessus des rotors. Un système de contrôle anti-pompage développé au laboratoire et basé sur la détection de l’amplitude des ondes de pression est finalement décrit. / The present work is a result of collaboration between the LMFA (Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique, Ecole Centrale de Lyon – France), Snecma and the Cerfacs. It aims at studying the flow in the 3.5-stages high-speed axial compressor CREATE (Compresseur de Recherche pour l’Etude des effets Aérodynamique et TEchnologique - rotation speed: 11543 RPM, Rotor 1 tip speed: 313 m/s), designed and built by Snecma and investigated at LMFA on a 2-MW test rig. Steady measurements, as well as laser velocimetry, fast-response wall static and total pressure measurements have been used to experimentally investigate the flow. The analysis focuses on two main aspects: the study of the flow at stable operating points, with a special interest on the rotor-stator interactions, and the study of the instabilities arising in the machine at low mass flow rates.The description of the unsteady flow field at stable operating points is done through measurements of wall-static pressure, total pressure and velocity, but also total temperature, entropy and angle of the fluid. It is shown that the complexity and unsteadiness of the flow in a multistage compressor strongly increases in the rear part of the machine, because of the interactions between steady and rotating rows. Therefore, a modal analysis method developed at LMFA and based on the decomposition of Tyler and Sofrin is presented to analyze these interactions. It is first applied to the pressure measurements, in order to extract the contributions of each row. It shows that all the complex pressure interactions in CREATE can be reduced to three main types of interactions. The decomposition method is then applied to the entropy field extracted from URANS CFD calculations performed by the Cerfacs, in order to evaluate the impact of the interactions on the performance of the machine in term of production of losses.The last part of this work is devoted to the analysis of the instabilities arising in CREATE at low mass flows. It shows that rotating pressure waves appear at stable operating points, and increase in amplitude when going towards the surge line, until reaching a critical size provoking the onset a full span stall cell bringing the machine to surge within a few rotor revolutions. The study of these pressure waves, and the understanding of their true nature is achieved through the experimental results and the use of some analytical models. A precise description of the surge transient through wall-static pressure measurements above the rotors is also provided, as well as a description of a complete surge cycle. An anti-surge control system based on the detection of the amplitude of the pressure waves is finally proposed.

La simulation d'écoulements dans des cavités cylindriques en rotation présente une difficulté particulière en raison de l'apparition de singularités sur l'axe. Le présent travail propose une méthode collocative pseudospectrale suffisamment efficace et précise pour surmonter cette difficulté et résoudre les équations 3D de Navier-Stokes écrites en coordonnées cylindriques. Cette méthode a été développée dans le cadre des différentes études menées au laboratoire M2P2, utilisant une méthode collocative de type Chebychev dans les directions radiale et axiale et Fourier-Galerkin dans la direction azimutale [thêta]. Pour éviter de prescrire des conditions sur l'axe, une nouvelle approche a été développée. Le domaine de calcul est défini par (r,[thêta],z)∈[-1,1]×[0,2π]×[-1,1] avec un nombre N pair de points de collocation dans la direction radiale. Ainsi, r=0 n'est pas un point de collocation. La distribution de points de type Gauss-Lobatto selon r et z densifie le maillage seulement près des parois ce qui rend l'algorithme bien adapté pour simuler les écoulements dans des cavités cylindriques en rotation. Dans la direction azimutale, le chevauchement des points dû à la discrétisation est évitée par l'introduction d'un décalage égal à π/2K à [thêta]>π dans la transformée de Fourier. La méthode conserve la convergence spectrale. Des comparaisons avec des résultats expérimentaux et numériques de la littérature montrent un très bon accord pour des écoulements induits par la rotation d'un disque dans des cavités cylindriques fermées. / When simulating flows in cylindrical rotating cavities, a difficulty arises from the singularities appearing on the axis. In the same time, the flow field itself does not have any singularity on the axis and this singularity is only apparent. The present work proposes an efficient and accurate collocation pseudospectral method for solving the 3D Navier-Stokes equations using cylindrical coordinates. This method has been developed in the framework of different studies of rotor-stator flows, using Chebyshev collocation in the radial and axial directions and Fourier-Galerkin approximation in the azimuthal periodic direction [thêta]. To avoid the difficulty on the axis without prescribing any pole and parity conditions usually required, a new approach has been developed. The calculation domain is defined as (r,[thêta];,z)∈[-1,1]×[0,2π]×[-1,1] using an even number N of collocation points in the radial direction. Thus, r=0 is not a collocation point. The method keeps the spectral convergence. The grid-point distribution densifies the mesh only near the boundaries that makes the algorithm well-suited to simulate rotating cavity flows where thin layers develop along the walls. In the azimuthal direction, the overlap in the discretization is avoided by introducing a shift equal to π/2K for [thêta]>π in the Fourier transform. Comparisons with reliable experimental and numerical results of the literature show good quantitative agreements for flows driven by rotating discs in cylindrical cavities. Associated to a Spectral Vanishing Viscosity, the method provides very promising LES results of turbulent cavity flows with or without heat transfer.

Pour les groupes turbo-alternateurs du parc nucléaire français, la situation accidentelle de référence lors du dimensionnement est définie par le départ d'une ailette terminale des corps basse pression. Après avoir détecté la perte de l'ailette, la turbine est déconnectée du réseau électrique, et la turbomachine ralentit progressivement sous l'effet de frottements d'origine fluide. Le dimensionnement consiste alors à vérifier que les structures palières sont capables de supporter l'effort résultant du balourd généré par cette perte d'ailette pendant la phase de ralentissement, notamment lors du passage des vitesses pour lequel des contacts rotor-stator peuvent se produire. A cet effet, un modèle éléments finis de turbine a été développé pour simuler des transitoires de vitesse d'un rotor en considérant la vitesse de rotation de l'arbre comme une inconnue, permettant ainsi d'estimer la décélération angulaire due au contact frottant. Trois modèles de stator ont été proposés appréhender le comportement dynamique du carter, et le couplage des structures est réalisé au moyen des forces de contact calculées par la méthode des multiplicateurs de Lagrange. La résolution des équations non-linéaires du mouvement a nécessité le développement d'un algorithme de contact, adapté à la géométrie de chacun des carters. Des simulations réalisées sur un modèle simple de turbine montrent que la vitesse de rotation et les chargements aux paliers sont bien estimés lors de l'interaction rotor-stator. Ainsi l'outil numérique permet d'étudier la réponse couplée rotor-stator et de prédire l'influence de paramètres tels que le coefficient de friction et les propriétés matérielles du stator.

Cette thèse propose différentes méthodologies de calcul du bruit à large bande générée par l'interaction rotor-stator d'une soufflante de turboréacteur et ce de la génération des sources acoustiques jusqu'au rayonnement en champ lointain. En premier lieu, le mécanisme d'interaction rotor-stator est étudié à travers une turbulence de grille homogène et isotrope (THI) impactant un profil isolé. Le cas de l'interaction rotor-stator en milieu guidé est ensuite traité et appliqué à une maquette de compresseur axial. Enfin, la dernière partie traite de la simulation du rayonnement aval en sortie de conduit. Dans chacune de ces parties, des approches analytiques et numériques sont proposées. Les méthodes analytiques permettentune prévision rapide du problème simplifié, et les méthodes numériques permettent de leverles hypothèses au prix d'un temps de calcul plus long.Le modèle d'Amiet est mis en œuvre pour simuler le bruit d'interaction THI-profil àtravers une expérience en soufflerie anéchoïque. Ce modèle simplifiant le profil en une plaque plane non portante, une approche numérique est également mise en place. La convection de perturbations de vitesse incidentes synthétisant une THI et impactant un profil isolé est simulée à l'aide d'un code CAA (Computational AeroAcoustics) résolvant les équations d'Euler en deux dimensions. Les différences de rayonnement entre une plaque plane et un profil cambré épais observées expérimentalement sont en partie retrouvées. Une simulation plus avancée d'un calcul LES (Large Eddy Simulation) 3D est également abordée.Dans la deuxième partie du mémoire, le modèle d'Amiet est étendu au problème de l'interaction rotor-stator en conduit. Différentes formulations sont proposées et discutées. Elles sont appliquées au cas d'un banc d'essai du DLR (centre de recherche aérospatiale allemand) avec des données d'entrée provenant d'un calcul RANS (Reynolds Averaged Navier-Stockes) ou bien directement de mesures. Les prévisions acoustiques ainsi obtenues sont satisfaisantes (+/-2 dB avec des données d'entrée expérimentales) compte tenu de la relative simplicité des modèles. Un calcul LES est exploité pour fournir directement les sources de bruit (fluctuations de pression pariétale). Les spectres obtenus montrent des tendances similaires à ceux issus du modèle d'Amiet malgré certains phénomènes non-physiques encore présents au niveau du calcul LES.Pour terminer, le rayonnement en champ libre est traité. Une manière simple et rapidede résoudre ce problème consiste à utiliser une intégrale de Kirchhoff, en supposant unécoulement moyen uniforme. Une comparaison avec une solution analytique (technique deWiener-Hopf) exacte pour les mêmes conditions montre que le rayonnement du bruit largebande est bien prévu par la méthode de Kirchhoff pour des angles de rayonnement inférieursà 90°. Cependant, pour prendre en compte la géométrie d'éjection de la nacelle et l'effet d'un écoulement hétérogène (cisaillement) sur le rayonnement en champ libre, une approche numérique est mise en place. Une technique permettant de simuler le caractère aléatoire des sources turbulentes ainsi que de satisfaire l'hypothèse de modes acoustiques incohérents est développée. Cette méthodologie est appliquée au cas simple du conduit semi-infini, puis à une tuyère réaliste. Les calculs sont validés à l'aide de solutions analytiques sur les configurations simplifiées. Une analyse critique des instabilités créées dans la couche de cisaillement et de leur influence sur les formulations intégrales couplées au calcul Euler pour obtenir le bruit en champ lointain complète ce dernier chapitre.

The thesis aims to explain the design a prototype of an innovated small engine. It is divided into three main parts. The first part is focused on the analysis of low power DC small engines available on the market. The second part consists of measuring, construction and loss analysis of a DC small engine with permanent magnets. The last part deals with the possible innovations of a small engine with permanent magnets and subsequent implementation of some of them. The innovations are supported by calculations and simulations.

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