The main part of this dissertation is concerned with the development of a fully three dimensional compressible inverse design method, suitable for the design of radial-inflow turbines and other turbomachines with arbitrary meridional geometry. The basic idea of the method is to represent the action of the blades by sheets of vorticity whose strength is determined from prescribed distribution of rVθ (or circulation 2πrVθ). The flow is assumed subsonic and inviscid and the blades are assumed to have negligible thickness. But the blade blockage effects are approximately accounted for by using a mean streamsurface thickness parameter in the continuity equation. As a first approach, the pitchwise variation of density was neglected and the problem was solved by using an approximate form of the continuity equation. Simple expressions were derived for the terms neglected in the approximate continuity equation. The problem was also solved by using the exact form of the continuity equation and the results of the approximate and exact methods were compared for a number of test cases. The comparison showed that the approximate method can compute the blade shape accurately. A small high (subsonic) speed radial-inflow turbine was designed by the new method. In order to assess the accuracy of the method, the flow through the designed impeller was computed by three dimensional inviscid and viscous flow analysis programs and good correlation was obtained between the computed and specified rVθ distributions. The designed impeller was manufactured and its performance was measured and compared to three other baseline impellers, one conventional and two experimental. The new impeller performed substantially better than all the baseline turbines and showed a 5.5% improvement over the conventional impeller. However, only 2.5% of this improvement was attributed to the aerodynamically superior blade shape designed by the new method. An appreciable improvement in efficiency was also observed at off-design conditions. Finally, the presence of a, generally observed, high loss region near the shroud at exit of radial-inflow turbines was investigated and it was found that secondary flow is the basic mechanism behind this phenomenon.

Les concepteurs de moteurs aéronautiques sont constamment sujets à la demande d’augmentation de puissance de la part des constructeurs d’aéronefs. Pour satisfaire à cette exigence, la température de sortie de la chambre de combustion peut être augmentée pour améliorer le rendement et la puissance de sortie du moteur. Cette élévation de température peut toutefois dépasser le point de fusion du matériau et, pour éviter les pannes de moteur, l’intégrité des aubes de la turbine repose notamment sur des systèmes de refroidissement internes,prélevant de l'air froid du compresseur. La conception de ces systèmes revient donc à maximiser l’amélioration du transfert de chaleur tout en minimisant le débit d’air via les pertes de charge afin d’éviter des pénalités de puissance du moteur. Or ces écoulements en canaux internes sont encore largement incontrôlés et mal compris. Dans le but de mieux comprendre ces écoulements en rotation se développant spatialement, ce travail porte sur l’étude via simulations numériques d’un canal de refroidissement droit, perturbé, en rotation. La configuration consiste en un canal carré équipé de 8 perturbateurs placés avec un angle de 90 degrés par rapport à l’écoulement principal. Pour les cas étudiés, des mesures PIV temporelles ont été effectuées à l'Institut VanKarman (VKI). Les conditions adiabatiques et isothermes ont été étudiées pour évaluer l’impact dela température de la paroi sur l’écoulement, en particulier dans les configurations en rotation. Les canaux statiques ainsi qu’en rotation positive et négative sont comparés avec, dans chaque cas,une prédiction d’écoulement adiabatique ou isotherme. Dans ce travail, les résultats de simulations aux grandes échelles (SGE) montrent que le modèle CFD haute fidélité est capable de reproduire les différences induites par la flottabilité sur la topologie de l'écoulement dans la région proche. Le modèle parvient également à prévoir l'augmentation (la diminution) de la turbulence autour des perturbateurs en rotation déstabilisante (stabilisante). Enfin et grâce à la SGE spatiale et temporelle complète, le développement spatial et l’instationnarité des écoulements secondaires sont analysés pour mieux comprendre leur origine et leurs différences potentielles entre les cas. Cette étude montre que la topologie du flux thermique en parois est déterminée par la structure des écoulements secondaires alors que l’intensité du flux thermique aux parois est déterminée par le niveau de fluctuations de l’écoulement dans l’espace interperturbateur

Statistics based models have been developed previously to predict a priori the performance of new radial flow compressors and pumps and to model test data of previously designed and tested machines. Unfortunately, critical dynamics in the inlet region of the machines were neglected. Consequently, room for improvement in the previous modeling exists. Historical practice has placed a static pressure tap on the shroud just upstream of the impeller leading edge for experimental characterization. The previously developed statistics based models rely on this measured data. However, the location of the tap may be vulnerable to high gradients which would decrease the dependability of the developed models. Full Computational Fluid Dynamics (CFD) and Multi-Stream Tube (MST) analysis were performed to test the appropriateness of the historically placed static pressure tap location and to characterize the inlet flow of typical radial flow turbomachines. All designs and test data were provided by ConceptsNREC and have been collected for over 40 years. Eleven machines were chosen for investigation to provide a wide variety of inlet geometric and flow conditions. The results derived from the Computational Fluid Dynamics and Multi-Stream Tube analysis suggest that the historically placed static pressure tap location is an inappropriate anchor point for model development. Steep gradients in the static pressure indicate that a relatively minor movement of the static pressure tap would significantly alter the experimental results and generate noise in statistical modeling. While large variations in the pressure field are apparent near the impeller leading edge for all machines considered, the study results show that the flow field is uniform and very predictable when well upstream of the impeller leading edge. Specifically, a point 3 blade height upstream from the impeller leading edge appears to be a sound location to anchor model development. The model is highly dependent upon the flow parameters in the inlet passage. Thus it is important to ensure that the model is anchored at a location where the flow conditions are known to be stable and good. Future anchoring of the model upstream of the impeller leading edge will lead to a more accurate prediction and modeling of the design performance for radial flow turbomachines.

Résumé : Sur les moteurs des lanceurs spatiaux comme Ariane V, le démarrage des turbopompes est effectué en quelques secondes. Par conséquent, ces pompes atteignent leurs conditions de fonctionnement nominales après seulement quelques rotations de la roue. Au cours de ces premières rotations, l'écoulement du fluide dans la roue est gouverné par des phénomènes transitoires, basés principalement sur l'augmentation du débit et de la vitesse de rotation. Ce comportement transitoire de la pompe se traduit par des fluctuations de pressions significatives qui peuvent provoquer la vaporisation partielle du fluide, c'est à dire la cavitation. L'étude réalisée porte sur les effets de la cavitation sur les performances d'une pompe centrifuge durant des démarrages rapides avec deux objectifs : i) analyser le comportement cavitant de la pompe durant le transitoire, ii) intégrer l'influence de la cavitation dans un modèle existant de prédiction des transitoires de démarrages. Un banc d'essais existant au LML (Laboratoire de Mécanique de Lille) a été adapté pour permettre l'étude des démarrages rapides en cavitation. Des mesures instantanées de couple, de vitesse de rotation, de débit et des pressions à l'aspiration et au refoulement ont permis de caractériser le fonctionnement transitoire de la pompe en fonction des conditions de cavitation. Des visualisations, effectuées à l'aide d'une caméra rapide, ont complété le dispositif expérimental. Le modèle fonctionnel de transitoire de pompe a été amélioré par la prise en compte, à chaque instant du démarrage, de l'atténuation de la performance due à la cavitation, et mesurée dans les mêmes conditions de fonctionnement en stationnaire. Pour tenir compte également des variations de densité locale qui interviennent de façon significative dans les termes transitoires, des mesures par rayons X dans la pompe ont été effectuées en collaboration avec le CEA (Commissariat à L'Energie Atomique). Elles permettent de déterminer localement la fraction volumique de vapeur dans la roue au cours des démarrages rapides en cavitation. Ces résultats pourront à l'avenir être intégrés dans le modèle fonctionnel afin d'optimiser la prédiction du comportement transitoire et cavitant de la pompe.

Rural electrification has long been the most important topic on the development agenda of many countries. The needs for power supplies to rural areas increased significantly in the past decades. Extending electricity grids to rural areas is of a very high initial cost and is not viable economically. Micro hydroelectric power plants provide a good economical solution, which is also environmentally very friendly. The current study concentrates on selecting and optimizing a suitable cross-flow micro-turbine to be used in micro hydroelectric power plants. Cross-flow turbines are in general of simple structure, low cost, easy to fabricate and of modest efficiency. The main purpose of the present work is to optimize the performance of a selected turbine by establishing the optimal turbine’s design parameters. A complete analysis of the internal flow, which is of turbulent, two-phase and three dimensional in nature, was undertaken by simulating it using various CFD simulation codes. This study reports on the flow simulation using ANSYS CFX with a two-phase flow model, water-air free surface model and shear stress transport (SST) turbulence model. Prediction velocity and pressure fields of inside the turbine are, subsequently, used to characterize the turbine performance for different geometric parameters including the number of runner blades, the angle of attack, the ratio of inner to outer diameter, the nozzle profile, the blade profile, the nozzle throat width, the nozzle to runner blades width and the runner blades width to outer runner diameter. The results revealed the highly complex nature of the flow and provided a very good insight to the flow structure and performance optimization parameters.

Les concepteurs de moteurs aéronautiques sont constamment sujets à la demande d’augmentation de puissance de la part des constructeurs d’aéronefs. Pour satisfaire à cette exigence, la température de sortie de la chambre de combustion peut être augmentée pour améliorer le rendement et la puissance de sortie du moteur. Cette élévation de température peut toutefois dépasser le point de fusion du matériau et, pour éviter les pannes de moteur, l’intégrité des aubes de la turbine repose notamment sur des systèmes de refroidissement internes,prélevant de l'air froid du compresseur. La conception de ces systèmes revient donc à maximiser l’amélioration du transfert de chaleur tout en minimisant le débit d’air via les pertes de charge afin d’éviter des pénalités de puissance du moteur. Or ces écoulements en canaux internes sont encore largement incontrôlés et mal compris. Dans le but de mieux comprendre ces écoulements en rotation se développant spatialement, ce travail porte sur l’étude via simulations numériques d’un canal de refroidissement droit, perturbé, en rotation. La configuration consiste en un canal carré équipé de 8 perturbateurs placés avec un angle de 90 degrés par rapport à l’écoulement principal. Pour les cas étudiés, des mesures PIV temporelles ont été effectuées à l'Institut VanKarman (VKI). Les conditions adiabatiques et isothermes ont été étudiées pour évaluer l’impact dela température de la paroi sur l’écoulement, en particulier dans les configurations en rotation. Les canaux statiques ainsi qu’en rotation positive et négative sont comparés avec, dans chaque cas,une prédiction d’écoulement adiabatique ou isotherme. Dans ce travail, les résultats de simulations aux grandes échelles (SGE) montrent que le modèle CFD haute fidélité est capable de reproduire les différences induites par la flottabilité sur la topologie de l'écoulement dans la région proche. Le modèle parvient également à prévoir l'augmentation (la diminution) de la turbulence autour des perturbateurs en rotation déstabilisante (stabilisante). Enfin et grâce à la SGE spatiale et temporelle complète, le développement spatial et l’instationnarité des écoulements secondaires sont analysés pour mieux comprendre leur origine et leurs différences potentielles entre les cas. Cette étude montre que la topologie du flux thermique en parois est déterminée par la structure des écoulements secondaires alors que l’intensité du flux thermique aux parois est déterminée par le niveau de fluctuations de l’écoulement dans l’espace interperturbateur / Aeronautical engine designers are constantly subject to increasing power demands from aircraft manufacturers. To satisfy this requirement, combustor outlet temperature can be increased to improve efficiency and output energy of the engine. This rise in temperature however can surpass the material melting point and to avoid engine failure, turbine blades rely on internal cooling systems. Turbine blade cooling often uses internal channels, taking cold air from the compressor flow. Design of these systems therefore resumes to maximizing heat transfer enhancement while minimizing airflow rate to avoid engine power penalties. However, such flows are still largely uncontrolled and miss-understood. In an attempt to better understand such spatially developing rotating flows, the present study deals with a computational investigation on a straight, rotating rib roughened cooling channel. The configuration consists in a squared channel equipped with 8 ribs turbulators placed with an angle of 90 degrees with respect to the flow direction. For the studied cases, time resolved two-dimensional Particle Image Velocimetry (PIV) measurements have been performed at the Van Karman Institute (VKI). Adiabatic as well as isothermal conditions have been investigated to evaluate the impact of the wall temperature on the flow, especially in the rotating configurations. Static as well as both positive and negative rotating channels are compared with, in each case, either an adiabatic or an isothermal flow prediction. In this work, Large Eddy Simulation (LES) results show that the high fidelity CFD model is able to reproduce the differences induced by buoyancy on the flow topology in the near rib region and resulting from an adiabatic or an isothermal flow in rotation. The model manages also to predict the turbulence increase (decrease) around the rib in destabilizing (stabilizing) rotation of the ribbed channels. Finally and thanks to the full spatial and temporal description produced by LES, the spatial development and the unsteadiness of secondary flows are analyzed to better understand their origin and potential differences in all a cases. This study shows that the wall heat flux topology is driven by the secondary flows structure and the wall heat flux intensity is driven by the level of flow fluctuations in the ribbed region

Lors du dimensionnement des turbomachines, les motoristes sont tenus par la réglementation de démontrer l'intégrité des pièces tournantes (disques et compresseurs) par un essai de survitesse : la pièce ne doit pas éclater sous l'effet du chargement mécanique et thermique avant la vitesse imposée par la réglementation. Cette exigence permet de garantir une marge de s'ecurité d'au moins 20 % entre la vitesse d'éclatement et les conditions normales de fonctionnement. L'évolution réglementaire permettra à terme d'utiliser des prévisions numériques préalablement validées par des essais. Les simulations, réalisées à l'aide de calculs élastoplastiques par éléments finis en grandes déformations, surestiment à l'heure actuelle la vitesse d'éclatement pour des pièces réalisées en Udimet 720, un superalliage à base de Nickel. Une prévision plus fiable de la vitesse d'éclatement nécessite une connaissance détaillée du comportement elasto-visco-plastique et du type de rupture du matériau. La prévision de la vitesse d'éclatement d'un disque en rotation est obtenue par analyse limite. Les paramètres du matériau influents sur cette vitesse limite sont dégagés dans cette étude. En conditions normales de fonctionnement, la température moyenne des disques est proche de 500°C. A cette température, l'effet Portevin Le Chatelier (PLC) apparait lors d'essais de traction sur des éprouvettes en Udimet 720. La simulation de cet effet nécessite l'utilisation d'un modèle de comportement tenant compte du vieillissement dynamique. Ce modèe entraine généralement une localisation de la vitesse de déformation sous forme de bandes. Une analyse de localisation a été effectuée dans le but d'utiliser ce modèle pour des disques en rotation. Il est démontré dans cette thèse deux résultats principaux au sujet de la simulation de l'éclatement des disques en Udimet 720 : (i) à la température ambiante, la vitesse d'éclatement est principalement influencée par le choix du critère de plasticité et par la contrainte limite à la rupture. (ii) à haute température (500°C), l'effet PLC change la réponse globale des disques sans pour autant modifier significativement leur vitesse d'éclatement. Cette thèse constitue le thème 3 du projet de recherche concerté entre Turboméca, l'Onéra, Snecma et le Centre des Matériaux - Mines Paris - ParisTech intitulé "Durée De Vie". Ce projet est supporté financièrement par la DGA et la DPAC.

Le dimensionnement en fatigue des composants de moteurs d’avions tels que les roues aubagées passe nécessairement par leur analyse dynamique. Pour être davantage prédictif, les dispersions géométriques et matérielles dues aux tolérances de fabrication, sources de désaccordage, sont prises en compte et font que les hypothèses de symétrie cyclique ne sont plus applicables. Le désaccordage a une influence non-négligeable sur le comportement vibratoire des roues aubagées en localisant une partie de l’énergie sur un nombre restreint d’aubes, ce qui peut conduire à une fatigue vibratoire prématurée de la pièce. Ce phénomène de localisation modale est conditionné d’une part, par la raideur de couplage entre les aubes et le disque et d’autre part, par le taux de désaccordage. Les redresseurs se situent sur les différents étages statoriques des moteurs d’avions. Leur rôle est de redresser le flux d’air en provenance des rotors situés en amont afin d’obtenir une poussée maximale en sortie du turboréacteur. Une nouvelle technologie consiste à considérer un redresseur comme un assemblage de plusieurs secteurs multipales monobloc indépendants. Les conditions de symétrie cyclique ne peuvent donc plus être employées, même dans le cas accordé. Le comportement vibratoire d’un secteur de redresseur accordé est caractérisé par une forte densité modale dans certaines plages de fréquences, correspondant à des modes de flexion et de torsion d’aube. De ce phénomène découle une forte sensibilité de ces modes au désaccordage présent au sein du redresseur. Le principal objectif de la thèse est de développer une stratégie permettant de prédire de façon robuste le comportement vibratoire des redresseurs sectorisés monobloc désaccordés. En effet, en déterminant les zones les plus sensibles d’un secteur donné avec une précision maximale, les bureaux d’études pourront optimiser le positionnement des jauges d’extensométrie sur les redresseurs prototypes. Afin d’atteindre cet objectif, diverses études numériques de sensibilité au désaccordage ainsi que des essais sur une pièce ont été faits. Ils ont permis d’avoir des premiers résultats quant aux erreurs relatives prévisibles qui pouvaient être faites, en fonction du désaccordage. Ensuite, la méthode des éléments finis stochastiques spectraux a été développée sur un modèle simplifié en vue d’en déterminer les modes propres aléatoires projetés sur une base de polynômes orthogonaux et d’en déduire la réponse forcée aléatoire par superposition modale. La base du chaos polynomial a été retenue principalement pour son gain en temps de calcul par rapport à des simulations de Monte Carlo classiques et à la précision des résultats obtenus. Enfin, la méthodologie stochastique a été validée sur un modèle éléments finis industriel de redresseur sectorisé fourni par SNECMA moyennant des méthodes de réduction de modèle de type Craig-Bampton. Une stratégie de positionnement optimal de jauges a été proposée ; elle constituait le principal livrable industriel attendu en fin de thèse. / The fatigue design of aircraft engines components such as bladed disks passes necessarily by their dynamic analysis. In order to be more predictive, the geometric and material dispersions due to the manufacturing tolerances, sources of mistuning, are taken into account and make the assumptions of cyclic symmetry be not applicable anymore. The mistuning has a non-negligible effect on the vibratory behavior of the bladed disks by localizing an important part of the energy on a reduced number of blades which can lead to a premature vibratory fatigue of the component. This phenomenon of modal localization is conditioned on the one hand, by the coupling stiffness between the blade sand the disk and on the other hand, by the rate of the mistuning. The stator vanes are located in the various stator stages of the aircraft engines. Their role is to straighten the air flow from the rotors located upstream to obtain the maximum thrust at the engine output. A new technology consists in considering a stator vane as an assembly of many independant monoblock multi-blades sectors. So, the cyclic symmetry conditions cannot be employed anymore even in the tuned case. The vibratory behaviour of a tuned stator vane sector is characterized by a high modal density in some frequency ranges, which corresponds to the blade bending and torsion modes. This phenomenon results in a high sensitivity of these modes to the mistuning within the stator vane. The main objective of this thesis is to develop a strategy allowing to predict the vibratory behavior of monoblock sectored mistuned stator vanes in a robust way. Indeed, by determining the most sensitive areas of a given sector with the maximum accuracy, the engineering departments will be able to optimize the strain gauges positioning on the prototypes stator vanes. In order to reach this objective, several sensitivity to mistuning numerical studies and some component tests were performed. They allowed to have first results about the relative predictable errors that could be done, depending on the mistuning. Then, the spectral stochastic finite element method has been implemented on a simplified model in order to determine its random eigen modes projected on a basis composed by orthogonal polynomials and to deduce the random forced response by modal superposition. The polynomial chaos basis has been chosen thanks mainly to the low computation time in comparison to Monte Carlo simulations and to the accuracy of the obtained results. At last, the stochastic methodology has been validated on an industrial finite element model of a sectored stator vane provided by SNECMA by means of model reduction methods such as Craig-Bampton. An optimum gauge positioning strategy has been proposed ;it represented the main industrial deliverable expected at the end of the thesis.

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RESUME : Les machines axiales à rotors contrarotatifs subsoniques sont une bonne solution pour les industries où de fortes élévations de pressions et d'efficacités sont nécessaires sans augmenter le diamètre ou la vitesse de rotation des rotors. Néanmoins, le comportement des CRS et les paramètres impactant ses performances ne sont pas encore totalement compris. Cette thèse mène une investigation expérimentale sur la performance et les paramètres influents sur un étage contrarotatif. La technique de design et les méthodes de mesure sont repris sur une thèse précédente réalisée au laboratoire Dynfluid (Arts et métiers ParisTech). Trois étages contrarotatifs ont été fabriqués (JW1, JW2 et JW3) et testés sur le banc d'essai normalisé AERO2FANS. Ces machines ont été conçues pour avoir le même point de fonctionnement mais avec une répartition de charge différente. Les résultats expérimentaux se concentrent dans un premier temps sur JW1. Les grandeurs physiques regardées sont l'efficacité globale et l'élévation de pression statique pour juger de la performance globale de la machine. La fluctuation de pression pariétale et le champ de vitesse sont aussi mesurés. L'impact du changement de rapport de vitesse ou la distance entre les deux rotors sur la machine JW1 a été étudiée grâce aux grandeurs physiques décrits précédemment. Enfin dans une dernière partie, les trois machines sont comparées toujours grâce aux grandeurs physiques définies précédemment. / ABSTRACT : The counter rotating subsonic axial flow fans could be a good solution for applications where the highly improved static pressure and efficiency are required without the increase of rotational speed and fan diameter. However, the mechanisms of high performance CRS and parameters influences are not well understood nowadays. This thesis is an experimental investigation of the performance and parameter studies of two counter rotatingaxial flow ducted fans. The design and measurement methods are based on the previous research work in Laboratory Dynfluid (Arts et Métiers ParisTech). Three Counter Rotating Stages (CRS) (named JW1, JW2 and JW3) are developed and tested on a normalized test bench (AERO2FANS). These systems have same design point and differ by the distribution of loading as well as the ratio of angular velocity between the Front Rotor (FR) and Rear Rotor (RR). The first part of results focus on the JW1. The overall performance is obtained by the experimental results of the static pressure rise and static efficiency, as well as the wall pressure fluctuations recorded by a microphone on the casing wall. The parameter study is conducted to investigate the effects of the axial distance and the ratio of angular velocity between the FR and RR on the global performance and flow fields measured by Laser Doppler Velocimetry (LDV).The last part of the work is devoted to analyze the differences of the three CRS with different distribution of work, in terms of the global performance and flow features.