\Yith the current develop111ent in computer technology and Computational Fluid D)'n<'tlllics techniques, t.he si11utlation within axial flow compressors becomes 1110re and 1110re pract.ical and beneficial to the compressor designs. Due to the insufficient capabilit)' of today's COll1put.ers for three-dimensional unsteady flow 1110delling of 111Ult i~Llg(' axial flow compressors, sophisticated models of steady state flow and perfor111ance 1110delling of the C0111prcssors deserve to be thoroughly investigated. In l1utltistage C0111pressor sinlulations with steady state methods, frame of reference is fixed on blades and the c0111putational domains for rotors and stators haye relati\'e rotation. One of the difficulties in such simulations is how to pass information across the interfaces between blade rows without losing continuity. Two 111ajor stead)' state modelling approaches, a mixing plane approach based on Denton's circu111ferentially non-uniform mixing plane model and a deterministic stress approach based on Adamczyk's average passage model, are investigated and compared with each other through the flow predictions of the third stage of Cranfield Low Speed Research Compressor at peak efficiency operating condition. In the deterministic stress approach, overlapped solution domains are introduced to calculate deterministic stresses in order to 'close' the time-averaged governing equation system and the influence of the downstream blade row of the blade row under investigation has to be imposed through the simulation of bodyforce and blade blockage effect of the downstream blade row. An effective method of simulating bodyforce and blade blockage effect has been developed and proven to be simple in programming. ConYentionally, boundary conditions are specified in CFD calculations based on experimental data or other empirical calculations. By taking advantage of the special flow features in rear stages of multistage axial flow compressors where each rear stage behaves like a repeating stage of its neighbouring stages in terms of flow pattern at the inlet and the exit of these stages, a repeating stage model has been developed aiming at significantly simplifying the boundary conditions when simulating rear stages of a multistage axial flow compressor with only mass flow rate and stage exit average static pressure required as global input. A computer simulation system 1'/ STurbo3D has been developed to investigate a11d assess different steady state simulation models within multistage compressor environment. It has been proven that with the mixing plane model M STurbo3D is able to predict flows in multistage low speed axial flow compressors with acceptable accuracy. Application of the repeating stage model to the third stage of LS RC shows that the prediction with this model has equivalent accuracy to the prediction with the conventional boundary setting, and proves that the repeating stage model is an effective alternative to the expensive complete compressor simulation. The deterministic stress model provides more information of rotor-stator interaction and slightly better performance prediction than the mixing plane model, but the benefits of the model is not significant when applied to low speed axial flow compressors.

La maîtrise du calcul prévisionnel du comportement dynamique des stators de machines de traction est un enjeu majeur pour le constructeur tant sur le plan de la compréhension de certains phénomènes physiques, que sur le plan de l amélioration de la conception en présence de facteurs mal maîtrisés. La démarche proposée dans ce travail a d abord consisté à construire et valider le modèle d un stator type en effectuant des corrélations calculs-essais et un recalage de modèle. Ceci a permis de caractériser le comportement moyen de cet assemblage hétérogène et surtout d établir des règles de modélisation transposables à d autres types d architectures. L étude s est poursuivie ensuite avec l investigation des incertitudes affectant cette modélisation ainsi que leur propagation. Afin de prendre en compte tous types d incertitudes, aléatoires ou épistémiques, sur une même procédure, une méthode hybride paramétrique non-paramétrique de modélisation et de propagation des incertitudes a été proposée. En raison de la taille importante des modèles industriels des stators, le problème est traité dans un contexte de sous-structuration et revient à réaliser une réanalyse approchée. Afin d assurer un compromis entre un coût de calcul raisonnable et une bonne prédiction des bases de réduction, la méthode des Approximations Combinées a été adaptée à la sous-structuration afin d être intégrée au processus de réanalyse. Outre ses avantages en termes de gain en temps de calcul parrapport à une réanalyse exacte, nous avons également montré sa robustesse par rapport à une méthode de réduction standard ou à une méthode améliorée de type enrichissement par résidus statique. / Mastering numerical simulations of the behaviour of railway stators remains an important challenge for designers. This allows both the understanding of some physical phenomena and the improvement of design in presence of different sources of uncertainties. The approach proposed in this work consists firstly on building and validating a numerical model of a typical design stator. By carrying out numerical-experimental confrontations and updating models, this first step allowed us to characterize the mean behavior of this heterogeneous assembling and mainly to establish generic modeling rules for other design stators. The second part of this work deals with the investigation of uncertainties affecting the structure or its model. In order to take into account all uncertainties types while performing a calculation of uncertainties propagation, a stochastic hybrid method, combining parametric and non-parametric models, was proposed. Because of the large sizes of finite element models of stators, the problem is treated in a component mode synthesis context. It amounts to carry out an approach reanalysis. In order to ensure a good compromise between reasonable calculation times and an acceptable precision, a generalized variant of the Combined Approximations method (VCA) has been introduced and adapted to component mode synthesis. The VCA method allows both a significant gain in computation time, comparing to an exact calculation, and a high robustness performance comparing to a standard reduction method or an improved method by static residual vectors.

La maîtrise du calcul prévisionnel du comportement dynamique des stators de machines de traction est un enjeu majeur pour le constructeur tant sur le plan de la compréhension de certains phénomènes physiques, que sur le plan de l amélioration de la conception en présence de facteurs mal maîtrisés. La démarche proposée dans ce travail a d abord consisté à construire et valider le modèle d un stator type en effectuant des corrélations calculs-essais et un recalage de modèle. Ceci a permis de caractériser le comportement moyen de cet assemblage hétérogène et surtout d établir des règles de modélisation transposables à d autres types d architectures. L étude s est poursuivie ensuite avec l investigation des incertitudes affectant cette modélisation ainsi que leur propagation. Afin de prendre en compte tous types d incertitudes, aléatoires ou épistémiques, sur une même procédure, une méthode hybride paramétrique non-paramétrique de modélisation et de propagation des incertitudes a été proposée. En raison de la taille importante des modèles industriels des stators, le problème est traité dans un contexte de sous-structuration et revient à réaliser une réanalyse approchée. Afin d assurer un compromis entre un coût de calcul raisonnable et une bonne prédiction des bases de réduction, la méthode des Approximations Combinées a été adaptée à la sous-structuration afin d être intégrée au processus de réanalyse. Outre ses avantages en termes de gain en temps de calcul parrapport à une réanalyse exacte, nous avons également montré sa robustesse par rapport à une méthode de réduction standard ou à une méthode améliorée de type enrichissement par résidus statique.

L'engouement aujourd'hui pour la manipulation des propriétés électriques des supraconducteurs moléculaires dans le domaine des matériaux, nous a conduit à installer des gyroscopes au sein du cristal, pour que la propriété dynamique puisse moduler l'environnement électrostatique pouvant déboucher vers un nouvel ordre de charge et des structures ferroélectriques. Une machine moléculaire qui possède un rotor, un axe de rotation et des stators tel que le 1,4-diéthynylbicyclo[2,2,2]octane, a été choisie pour sa particularité à interagir avec la lumière, que l'on organise au sein du solide, sous forme de monocristaux appelés moteurs cristallins. La RMN CP/MAS sur poudre cristalline et monocristal a permis de caractériser le mouvement du rotor. Le développement d'une approche cristalline ajouté à la fonctionnalisation des rotors ont permis leur auto-assemblage et leur installation dans des architectures ouvertes organisées autour de cation métalliques (MOF,PCP,), ce qui a permis l'élaboration de matériaux multifonctionnels, dotés de la fonction dynamique, aux propriétés de conductivité ou de transition spin (SCO-MOF). Finalement, l'étude de systèmes cristallins dynamiques de basse dimentionnalité en optique non linéaire a permis de mettre en évidence le phénomène de photo-pilotage des gyroscopes par la lumière au sein du solide. le développement de systèmes plus élaborés permettra de mieux comprendre ce phénomène afin de l'utiliser dans des applications industrielles.

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse concernent les petites machines à aimants permanents, à flux axial et à auto-commutation électronique ayant la topologie d'un rotor intérieur discoïdal avec des aimants Nd-Fe-B montés en surface et de deux stators extérieurs identiques, chacun avec enroulement triphasé distribué dans des encoches. Après l'examen des topologies candidates pour applications d'entraînement direct basse-vitesse, une modélisation électromagnétique analytique de pré-dimensionnement d'un prototype de telles machines est réalisée. Ensuite, une approche numérique originale est développée et couplée à l'optimisation géométrique des aimants rotoriques en vue de réduire les harmoniques d'espace de l'induction magnétique dans l'entrefer et aussi les ondulations du couple électromagnétique. Des nombreux tests expérimentaux sont effectués sur le prototype de machine pour vérifier son dimensionnement ainsi que pour valider la stratégie d'auto-commutation électronique et de contrôle de base

[ES] En los turbocompresores con turbina de geometría variable (VGT por sus siglas en inglés) los vanos del estator se mueven a una posición cerrada para generar una contrapresión durante el modo de frenado del motor. De este modo, se generan ondas de choque en el estator. Además, en otras aplicaciones donde se utilizan turbinas radiales como en ciclos reversos de Brayton para refrigeración, ciclos orgánicos Rankine, y en las turbinas para la unidad de potencia auxiliar, dependiendo de las condiciones de operación, pueden aparecer condiciones sónicas y ondas de choque. El presente trabajo se centra en el estudio del comportamiento del flujo a través de una turbina de geometría variable de un turbocompresor comercial en condiciones fuera de diseño alcanzando condiciones de choque. Se ha realizado un análisis detallado del patrón de flujo dentro de la turbine usando simulaciones CFD, identificando y cuantificando los fenómenos más importantes bajo diferentes condiciones de operación. Se han llevado a cabo simulaciones estacionarias usando Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) y no estacionarias (unsteady RANS) para obtener las características del flujo en el estator y en el rotor, además de obtener el mapa de la turbina. Los resultados CFD muestran que la región del dominio computacional donde aparecen las condiciones sónicas depende de la posición de los vanos del estator y la relación de presiones. Cuando los vanos del estator están en una posición cerrada (10% VGT), el fluido se acelera y, dependiendo de la relación de presiones, la presión estática en el lado de succión disminuye hasta cierto punto donde un incremento repentino revela la presencia de una onda de choque, la cual se expande por el espacio sin vanos. La intensidad de la onda de choque bajo la relación de presiones más altas varia con la velocidad de giro. Para analizar la interacción entre el rotor y el estator se llevaron a cabo simulaciones numéricas con los vanos del estator en una posición cerrada, 10% VGT, y en una posición más abierta, 30% VGT. El número de choques que una partícula del fluido experimenta aguas arriba del rotor está correlacionado con las pérdidas por choque del fluido. Cerca de los vanos del estator, las pérdidas de presión son altas, hacia el centro del espacio sin vanos las pérdidas disminuyen y cerca del rotor empiezan a incrementar. La interacción entre el rotor y el estator crea ondas de choque cuya intensidad depende de la posición del borde de ataque del rotor y de la velocidad de giro. A la velocidad de giro más alta, ocurren fluctuaciones en la carga cerca del borde de ataque, las cuales pueden comprometer la integridad de la pala. Cuando la turbina tiene los vanos del estator abiertos (80% VGT) y opera a la relación de presión más alta seleccionada, las condiciones de choque aparecen en el plano del borde de fuga del rotor. Además, el desarrollo del área chocada depende de la velocidad de giro y de las fugas en la punta del álabe. Así, se investigó los efectos de las fugas en la punta del alabe sobre el flujo principal bajo condiciones sónicas disminuyendo e incrementando el intersticio entre la punta del álabe y la carcasa hasta un 50% en base a la geometría dada por el fabricante. El flujo a través de este espacio se acelera para posteriormente mezclarse con el flujo principal y generar un vórtice. Los efectos del vórtice sobre el flujo en el plano ubicado en el borde de fuga del rotor cuando el intersticio varía son más significativos a altas velocidades que a bajas velocidades. El vórtice permanece más cerca del lado de succión a altas velocidades generando una región subsónica que incrementa con la altura del intersticio. Las fugas en la punta del álabe no afectan al flujo principal cerca del cubo cuando la turbina opera a altas y bajas velocidades. / [CA] En turbocompressors amb turbina de geometria variable (VGT per les seues sigles en anglès), les paletes de l'estàtor es mouen a una posició tancada per generar una contrapressió durant el mode de frenada del motor. D'aquesta forma, es generen unes ones de xoc en l'estàtor. A més, en altres aplicacions on s'utilitzen turbines radials com els cicles inversos de Brayton per a refrigeració, cicles orgànics de Rankine o en turbines per a la unitat de potencia auxiliar, depenent de les condicions d'operació poden aparéixer condicions sòniques i d'ones de xoc. El present treball es centra en l'estudi del comportament del flux en una turbina radial de geometria variable d'un turbocompressor comercial en condicions fora de disseny, arribant a condicions de xoc. S'ha realitzat un anàlisi detallat del patró de flux dins d'aquestes turbines utilitzant simulacions CFD, identificant i quantificant els fenòmens més importants a diferents condicions d'operació. S'han realitzat simulacions estacionàries utilitzant Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) i no estacionàries (Unsteady-RANS) per a obtenir les característiques del flux en l'estàtor i en el rotor, a més d'obtenir el mapa de la turbina. Els resultats CFD mostren que la regió del domini computacional on apareixen les condicions sòniques depenen de la posició de les paletes de l'estàtor i de la relació de pressions. Quan les paletes de l'estàtor estan en una posició tancada (10% VGT), el flux s'accelera i, depenent de la relació de pressions, la pressió estàtica en el costat de succió disminueix fins a cert punt on un increment brusc denota la presència d'una ona de xoc que s'expandix per l'espai sense paletes. L'intensitat de la ona de xoc a relacions de pressions elevades varia amb la velocitat de rotació. Per analitzar l'interacció entre rotor i estàtor es van realitzar simulacions numèriques amb les paletes de l'estàtor en una posició tancada, 10% VGT, i en una posició més oberta, 30% VGT. El nombre de xocs que una partícula del fluid experimenta aigües amunt del rotor està correlacionat amb les pèrdues per xoc del fluid. Prop de les paletes de l'estàtor, les pèrdues de pressión són elevades, cap al centre de l'espai sense paletes les pèrdues disminueixen i prop del rotor comencen a incrementarse. L'interacción entre rotor i estàtor crea ones de xoc amb una intensitat que depèn de la posició de la vora d'atac del rotor i de la velocitat de rotació. A la velocitat de rotació més elevada, prop de de la vora d'atac ocorren fluctuacions en la càrrega que poden comprometre la integritat de la pala. Quan la turbina té les paletes de l'estàtor obertes (80% VGT) i opera a la relació de pressió més elevada de les seleccionades, les condicions de xoc apareixen en el pla de la vora de fuga del rotor. A més, el desenvolupament de l'àrea xocada depèn de la velocitat de rotació i de les fugues en la punta de les paletes. Així, s'ha investigat els efectes de les fugues en la punta de les paletes sobre el flux principal sota condicions sòniques, disminuint i incrementant l'interstici entre la punta de la paleta i la carcasa fins un 50\% en base a la geometria donada pel fabricant. El flux en aquest espai s'accelera per a posteriorment mesclar-se amb el flux principal i generar un vòrtex. Els efectes del vòrtex sobre el flux en el pla ubicat a la vora de fuga del rotor quan l'interstici varia són més significatives a velocitats altes que a velocitats baixes. El vòrtex roman més prop del costat de succió a velocitats elevades generant una regió subsònica que incrementa amb l'altura de l'interstici. Les fugues en la punta de les paletes no afecten al flux principal prop del cub quan la turbina opera tant a altes com baixes velocitats. / [EN] In turbochargers with variable geometry turbine (VGT), the stator vanes move to a closed position to drive high exhaust back pressure during the engine braking mode. Thus, shock waves are generated at the stator. Furthermore, depending on the operational conditions in the use of radial turbines in other applications like reverse Brayton cycle for refrigeration, Organic Rankine Cycles, and gas turbine auxiliary power unit (GTAPU), sonic flow and shock waves can appear. The current work focuses on studying the flow behavior of a commercial turbocharger turbine of variable geometry at off-design conditions reaching choked flow. A detailed examination of the flow patterns within the turbine has been carried out using CFD simulations, identifying and quantifying the most important phenomena under different operational points. Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) and unsteady RANS simulations have been performed to obtain the flow structures in stator and rotor as well as the turbine map. The CFD results show that the region of the computational domain where the sonic conditions appear depends on the stator vanes position and the pressure ratio. When the stator vanes are in the closed position (10% VGT) the flow through the stator accelerates and, depending on pressure ratio, the static pressure on the suction side decreases until a certain point where a sudden increase reveals the presence of a shock wave that expands through the vaneless space. The intensity of the shock wave at higher pressure ratio varies with the rotational speed. To analyze the rotor-stator interaction, numerical simulations were carried out with the stator vanes at the closed position, 10% VGT, and at wider position, 30% VGT. The number of shocks a fluid particle experiences upstream of the rotor is correlated with the fluid shock losses. Close to the stator vanes, the pressure losses are high; toward the center of the vaneless space, they start to decrease, and close to the rotor they start to increase. The rotor-stator interaction creates shock waves, whose intensity depends on the position of the rotor leading edge and the blade speed. At higher rotational speed, load fluctuation occurs close to the leading edge, which may compromise the blade's integrity. When the turbine has the stator vanes open (80% VGT) and operates at the selected higher pressure ratio, the choking condition appears in a plane at the rotor trailing edge. Furthermore, the development of the choked area depends on the rotational speed and tip leakage. Thus, the effect of the tip leakage flow on the main flow under sonic conditions was investigated decreasing and increasing the tip gap up to 50% of the original geometry given by the manufacturer. The flow through the gap accelerates and then mixes with the main flow, generating a vortex. The effects of the vortex on the flow at the rotor trailing edge plane when the tip gap varies are more significant at higher speed than at lower speed. The vortex stays closer to the tip suction side at higher speed, generating a subsonic region that increases with the tip gap height. At higher and lower rotational speeds, the tip leakage flow does not affect the main flow close to the hub. / I would like to acknowledge the financial support received through the "Subprograma de Formación de Profesorado Universitario (FPU)". Ministerio de Universidades. FPU18/02628 and by the "FPI Subprograma 2". Universitat Politècnica de València. PAID-10-18. / Echavarría Olaya, JD. (2023). Numerical Study of a Radial Turbine of Variable Geometry at Off-Design Conditions Reaching Choked Flow [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196861

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse concernent les petites machines à aimants permanents, à flux axial et à auto-commutation électronique ayant la topologie d’un rotor intérieur discoïdal avec des aimants Nd-Fe-B montés en surface et de deux stators extérieurs identiques, chacun avec enroulement triphasé distribué dans des encoches. Après l’examen des topologies candidates pour applications d’entraînement direct basse-vitesse, une modélisation électromagnétique analytique de pré-dimensionnement d’un prototype de telles machines est réalisée. Ensuite, une approche numérique originale est développée et couplée à l’optimisation géométrique des aimants rotoriques en vue de réduire les harmoniques d’espace de l’induction magnétique dans l’entrefer et aussi les ondulations du couple électromagnétique. Des nombreux tests expérimentaux sont effectués sur le prototype de machine pour vérifier son dimensionnement ainsi que pour valider la stratégie d’auto-commutation électronique et de contrôle de base / The research work presented in this thesis is concerned with small electronically-commutated axial-flux permanent-magnet (AFPM) machines having the double-sided topology of an inner rotor with surface-mounted Nd-Fe-B magnets, sandwiched between two outer slotted stators with distributed three-phase windings. After reviewing the small double-sided AFPM machine candidate topologies for low-speed direct-drive applications, the thesis hinges on the size equations and the analytical electromagnetic design of the inner-rotor AFPM (AFIPM) machine topology under study. Original methods of modelling and design optimization of a small prototype AFIPM machine are then proposed with the view to reducing the airgap flux density space-harmonics and the torque ripple by rotor-PM shape modification. Extensive experimental tests are carried out on the small three-phase AFIPM machine prototype in order to validate its proper design and to check its electronic commutation and basic control technique