A large-scale moving end-wall system has been designed and built at the Aerospace and Ocean Engineering Department of Virginia Tech. This system forms part of a low-speed linear compressor cascade wind tunnel, where it is used to simulate the effects of the relative motion between the blade tips and casing upon the flow. Detailed 4-sensor hot wire measurements were made at various locations downstream the cascade. The results are presented in term of mean flow field and turbulence flow field. In order to reveal the effects of moving end wall, the results also compared with the results obtained with stationary end wall. / Master of Science

The tip leakage vortex is responsible for the generation of stagnation pressure losses inside the compressor along with the outbreak of rotating stall and surge. The current paper analytically proved that a part of the losses is proportional to the vortex circulation squared. The evolution of this circulation has been investigated as part of a parametric study which tested several clearance heights. The work consists in adopting a simplified single blade configuration to study the physics of the flow by means of wind tunnel experiments and numerical calculations. Upon visualising the main features of the flow, a model based on the study of jet in crossflows was implemented to describe the tip clearance flow for small gap sizes. For big gaps, the flow is assumed to behave as an isolated wing tip vortex which circulation is easily computed by the so called lifting line theory. The main vortical structures highlighted by the topology of the flow justified the use of the model of a jet in crossflow for small gap sizes. This model was challenged by experimental and numerical data and proved to well predict the evolution of the clearance vortex circulation for an increasing clearance height although some numerical results remain further away from the model. / Gapvirveln är ansvarig för lufttryckförluster i motorn av ett flygplan och kan orsaka utbrottet av kompressorstall och pumpning. Artikeln bevisade matematiskt att en del av de här förlusterna är proportionell mot gapvirvelncirkulationen upphöjd. Utvecklingen av den där cirkulationen undersöktes med hjälp av en parametrisk studie som provkörde flera gapstorlekar. Arbetet bestå av att adoptera en förenklad enda blad konfiguration för att studera flödes fysik med vindtunnel experiment och flödesberäkningar. Efter att man analyserar flödes viktigaste egenskaper genomfördes en modell baserad på studien av en jet i ett korsflöde. Den här modellen används för att beskriva flödet för små gapstorlekar. För stora gap antar man att flödet beter sig som en vingspetsvirvel som cirkulationen kan beräknas utan svårighet med hjälp av lyftledningsteorin. Flödes topologi visualiserades tack vare numeriska beräkningar och legitimerade användningen av modellen av en jet i ett korsflöde för små gapstorlekar. Teoretiska, experimentella och numeriska resultat jämfördes och bevisade att modellen väl förutsäger utvecklingen av gapvirvelncirkulationen mot gapstorlek även om några numeriska resultat är långt från modellen.

This study presents the results of an experimental study that investigates the effects of uniform/waveform tip injection along the camberline on the total pressure loss characteristics downstream of a row of Low Pressure Turbine (LPT) blades. The experiments are performed in a low speed cascade facility. This injection technique involves spanwise jets at the tip that are issued from a series of holes along the camber line normal to the freestream flow direction. The injection mass flow rate from each hole is individually controlled using computer driven solenoid valves and therefore the flow injection geometrical pattern at the tip can be adjusted to any desired waveform shape, and can be uniform as well as waveform along the camber. Measurements involve Kiel probe traverses for different injection scenarios 0.5 axial chords downstream of the blades. Results show that, instead of performing uniform mass injection along the camberline, by selecting an appropriate waveform injection pattern one can reduce the total loss levels of the blade, including the tip leakage loss as well as the wake losses.

L'écoulement de jeu est un phénomène très important dans les turbomachines. Il provient du mouvement relatif entre la pale et la paroi d'extrémité, et la différence de pression à travers la pale. L'écoulement de jeu est extrêmement complexe pour sa nature tridimensionnelle et instable, et son existence conduit à de nombreux effets défavorables, par exemple, les pertes de performance aérodynamique et les émissions de bruit. C'est pourquoi l'écoulement de jeu a motivé de nombreuses recherches expérimentales et numériques. Afin d'améliorer la compréhension du écoulement de jeu et le bruit de large bande associé, une campagne de recherche a été menée au LMFA. En ce qui concerne l'écoulement de jeu, cette campagne de recherche comprend une expérience avec des technologies de mesure avancées, un calcul zonal LES et une série de calculs RANS / URANS. L'expérience et les simulations considèrent une configuration simple de l'écoulement de jeu à un faible nombre de Mach. Les résultats expérimentaux et numériques sont analysés de façon systématique et approfondie dans la présente étude. Enfin, des efforts sont déployés pour la modélisation et la prédiction du bruit à large bande avec des résultats expérimentaux et numériques. On observe dans l'expérience un système à multiple-tourbillon, avec une tourbillon de jeu intense. Les différentes analyses sur les caractéristiques d'écoulement montrent un bon accord entre l'expérience et le ZLES dans la région du écoulement de jeu. L'approche zonale (RANS-LES) s'avère être un outil puissant pour fournir une description détaillée du écoulement de jeu, avec un coût de calcul limité. Cependant, les calculs RANS et URANS surestiment globalement la diffusion de la tourbillon. En outre, l'oscillation du tourbillon de jeu est étudiée en utilisant des champs instantanés de PIV et l'amplitude d'oscillation est évaluée. La réponse dynamique de la tourbillon de jeu est également étudiée avec URANS aux fréquences choisies. Deux modèles de prédiction du bruit en champ lointain, correspondant à deux sources acoustiques différentes, sont reformulés et mis en oeuvre avec les données de champ proche des simulations numériques. Ces prédictions sont comparées aux mesures à champ lointain. En utilisant les données ZLES, le modèle de l’écoulement de jeu sur-estime le bruit généré dans la région de jeu. Le modèle de bruit de bord de fuite est implémenté avec les données ZLES et les données RANS et fournit une très bonne prédiction dans une large bande de fréquence. / The tip-leakage flow is a common flow feature in turbomachines. It originates from the relative motion between the blade tip and the end-wall, and the pressure difference across the blade. The tip-leakage flow is extremely complex for its three-dimensional unsteady nature, and its existence leads to many unfavourable effects, such as aerodynamic performance losses and noise emissions. These issues have motivated extensive experimental and numerical researches from both aerodynamic and aeroacoustic points of view. In order to improve the understanding of the tip-leakage flow and its associated broadband noise, a research campaign has been carried out at LMFA. Regarding the tip-leakage flow, this research campaign includes an experiment with advanced measurement technologies, a zonal LES computation and a series of RANS/URANS computations. Both the experiment and the simulations consider a single-airfoil configuration at low Mach number. Experimental and numerical results are analysed systematically and thoroughly in the current study. Finally, efforts are put on the broadband noise modelling and prediction based on the experimental and numerical results. A multi-vortex system with an intense tip-leakage vortex is observed in the experiment. The various analyses of the flow characteristics show a good agreement between the experiment and the ZLES in the blade tip region. The zonal (RANS-LES) approach proves itself to be a powerful tool to provide a detailed description of the tip-leakage flow, with a limited computational cost. However, the RANS and URANS computations globally over-estimate the diffusion of the tip-leakage vortex. Furthermore, the random oscillation of the tip-leakage vortex is investigated using PIV instantaneous flow fields and the wandering amplitude is evaluated. The dynamic response of the tip-leakage vortex is also studied with URANS at selected frequencies. Two far-field noise prediction models, corresponding to two different acoustic sources, are reformulated and implemented with the near-field data from the numerical simulations. These predictions are compared to the far-field measurements. Using the ZLES data as input, the blade-tip self-noise model is found to over-estimate the noise generated in the blade-tip region. The trailing-edge noise model is implemented with the time-averaged ZLES and the RANS near-field data, and yields a very good prediction within a broad range of frequency.

Ce travail de thèse, mené dans le cadre d’une convention CIFRE entre Snecma, le CERFACS et le LMFA, s’inscrit dans un contexte d’amélioration des performances et d’extension de la plage de fonctionnement des compresseurs de type axial équipant les turboréacteurs. L’une des principales difficultés rencontrée dans cette démarche concerne la maîtrise des écoulements dans la zone de jeu en tête des aubes rotors et qui peuvent entraîner une perte de stabilité du système (pompage et décollement tournant).Une solution technologique prometteuse pour améliorer la stabilité est le traitement de carter qui consiste en un dispositif passif complexe de fentes implantées au carter au droit des rotors. En vue d’en améliorer sa conception, les travaux de thèse visent plus particulièrement à approfondir la compréhension des mécanismes d’action grâce à une approche numérique CFD avec le code elsA développé par l’ONERA et le CERFACS, en modélisation stationnaire et instationnaire. Ces travaux s’articulent autour de trois axes principaux. Le premier a eu pour objectif de développer un outil numérique d’aide à la compréhension des mécanismes d’action des traitements de carter et de diagnostic de leur efficacité. Le principe de l’outil, qui est une extension du modèle initialement proposé par Shabbir et Adamczyk, repose sur une évaluation des contributions des termes des équations de Navier-Stokes stationnaires et instationnaires sur un volume de contrôle pris dans l’écoulement. Dans le cas pratique, cela revient à quantifier les efforts appliqués sur le fluide. Le second axe traite de l’analyse des mécanismes d’action des traitements de carter axisymétriques dans deux compresseurs axiaux : l’un subsonique à carter cylindrique (CREATE) et l’autre transsonique à carter conique (NASA Rotor 37). Les enseignements de cette étude indiquent que ce type de géométrie est marqué par son effet d’aspiration de fluide dans la veine. Ce mécanisme est d’autant plus amplifié par un phénomène d’interaction complexe des fentes avec l’écoulement de jeu et la proximité de l’intrados de l’aube adjacente. Cette partie s’est également attardé à la réponse des rainures à un phénomène instationnaire de type sillage de roue amont. Les résultats ont montré que les fentes amortissent les fluctuations de gradient de pression adverse. Le troisième axe porte sur l’analyse des mécanismes des traitements de carter non-axisymétriques à travers l’étude numérique d’un cas test transsonique à carter cylindrique (CBUUA). Le mécanisme d’action améliorant la stabilité de la machine tient en la capacité des fentes à limiter la migration dans la direction circonférentielle du vortex de jeu. Les résultats montrent que ce type de géométrie est caractérisé par son effet de réinjection d’air qui vient ré-énergétiser l’écoulement proche carter. / This thesis work, conducted as part of a CIFRE agreement between Snecma, CERFACS and LMFA, deals with the context of improving performance and extending the operating range of axial compressors fitted turbojets. One of the main difficulties in this approach is the flow control in the rotor tip region, which can cause the loss of the system stability (surge and rotating stall). A promising technology known to bring substantial stability is the casing treatment. This passive control device consists of slots of complex geometry within the rotor casing. In order to improve its design, the thesis aimed specifically at improving the understanding of their mechanisms through a numerical approach using the CFD code elsA developed by ONERA and CERFACS, with steady and unsteady approaches. This work focused on three main axes. The first concerns the development of a numerical tool to support the understanding of casing treatment mechanisms and the diagnosis of their efficiency. The principle of the tool, which is an extension of the model originally proposed by Shabbir and Adamczyk, is based on an assessment of the contributions of the terms of the steady and unsteady Navier-Stokes equations on a control volume taken in the flow. In practice, this permits to quantify the forces applied to the fluid. The second axis deals with the analysis of the flow mechanisms induced by axisymetric casing treatments in two axial compressors : one subsonic with a cylindrical casing (CREATE) and the other transonic with a conical casing (NASA Rotor 37). The findings of this study indicate that this type of geometry is characterized by its bleeding effect. This mechanism is further amplified by a complex phenomenon of interaction between grooves, tip leakage vortex and the proximity to the pressure side of the adjacent blade. This part has also dwelt on the groove’s response to unsteady upstream stator wakes. The results showed that the slots are able to damp fluctuations of adverse pressure gradient. The third area concerns the analysis of the flow mechanisms induced by non-axisymmetric casing treatment through the numerical study of a transonic compressor with cylindrical casing (CBUUA). The mechanism leading to an enhancement of the stability results in slots ability to limit the migration in the circumferential direction of the tip leakage vortex. The results show that this type of geometry is characterized by its effect of re-injection of fluid that comes re-energize the near casing flow.

As one of the key components of aero engines, compressor is required to endure higher pressure,  possess  higher  efficiency  and  wider  operating  range. Intensive studies have been made on tip leakage flow and researchers find that by reasonably organizing tip leakage flow, aero engines are  more likely to achieve better performance and reliability. Conventional flow controlling methods  like casing treatment and micro jet could substantially modify tip leakage flow, unfortunately with  a price of additional loss, not to mention the difficulty in manufacturing such structure. Whereas  plasma actuation  flow control method  uses  plasma actuators,  such equipment is easy  to  build,  responses  fast  and  has  a  wide  excitation  bandwidth.  This  method  has  become  a  new  trend  in  internal flow active control field.  In this research, a phenomenological model is adopted to simulate DBD plasma actuation in the  flow field inside a compressor cascade. The aim is to find out how plasma actuation will influence  tip  leakage  flow.  Meanwhile  possible  means  to  improve  plasma  actuation  performance  are  discussed.  First of all, numerical simulation of flow inside a compressor cascade without plasma actuation is  conducted to validate accuracy of the numerical methodology adopted and then determine one  numerical  approach  that  satisfies  specific  needs  sufficiently.  Meanwhile,  influence  of  casing  movement on tip leakage flow as well as possible mechanism of tip leakage vortex core generation  is investigated in detail. The results indicate:    1. Generating position of tip leakage vortex moves towards leading edge with increasing moving  speed of shroud.  2. As shroud moving speed increases, trajectory of tip leakage vortex moves away from suction  side of blade and closely towards shroud.  3. Casing movement  tends  to  transform  tip leakage vortex  from  circular  to  oval  shape  due  to  circumferential shearing.  4. Casing  movement  has  little  influence  on  total  pressure  field  concerning  absolute  pressure  value. While total pressure loss does reduce slightly with increasing moving speed of shroud.  5.Vorticity  transport  from  tip  clearance  into  passage  may  be  contributing  significantly  to  generation of tip leakage vortex inner core.  Secondly, a simplified model of DBD plasma actuation based on literature [1] is derived and applied  through  UDF  function  of  commercial  software  Fluent  into  the  flow  field.  Different  actuation  positions,  voltages  and  frequencies  are  applied  in  simulation  and  compared.  After  that  casing  movement is included. Main conclusions are as follow:    6. Plasma  actuation  shows  significant  suppressing  effect  on  tip  leakage  vortex  on  both  size,  trajectory and strength.  7. The suppressing effect on tip leakage vortex grows stronger as actuator moves towards leading  edge.  8. Increasing actuation voltage results in stronger suppressing effect on tip leakage vortex.  9. Plasma actuation can effectively improve total pressure loss situation near shroud region with  increasing actuation power.  10. Increasing actuation frequency results in stronger suppressing effect on tip leakage vortex as  well. Additionally, frequency performs slightly better than voltage. 11. Casing  movement  tends  to  weaken  suppressing  effect  of  tip  leakage  vortex  by  plasma  actuation. More  actuation  power  is  needed  to  achieve  sufficient  suppressing  effect  in  real  compressors. / Som en av de viktigaste komponenterna i flygmotorer krävs det att kompressorn utsätts för högre  tryck, har högre effektivitet och  större driftsintervall. Intensiva  studier har gjorts om  skovlarnas  toppspel  läckageflöde  och  man  anser  att  det  är  mer  sannolikt  att  flygmotorer  uppnår  bättre  prestanda  och  tillförlitlighet  genom  att  på  ett  rimligt  sätt  reglera  läckageflödet  i  toppspelet.  Konventionella metoder  för reglering av flödet, som behandling av “casing” och mikrojet, skulle  kunna  ändra  läckageflödet  avsevärt,  men  medför  tyvärr  ytterligare  förlust,  för  att  inte  tala  om  svårigheten att tillverka en sådan struktur. Samtidig flödeskontroll med hjälp av plasma aktuatorer  som är relativt lätta att bygga, reagerar snabbt och har en bred excitationsbandvid. Denna metod  har blivit en ny trend inom det interna flödesaktiva kontrollområdet.  I  denna  forskning  antas  en  modell  för  att  simulera  plasmaaktivering  av  DBD  i  flödesfältet  i  en  kompressorskaskad. Man försöker ta reda på hur plasmaaktivering påverkar läckageflödet. Möjliga  sätt att förbättra effekten av plasmaaktivering diskuteras.  För  det  första  genomförs  numerisk  simulering  av  flödet  i  en  kompressorskaskad  utan  plasmaaktivering för att validera noggrannheten i den numeriska metoden. Därefter undersöks i  detalj vilken inverkan den relativa rörelsen av ”casing” har på läckageflödet genom toppspelet och  mekanismen för toppspelsvirvel analyseras. Resultaten visar:    1. Startposition för läckagevirveln rör sig mot skovelns framkant när man introducerar och ökar  den relativa hastigheten för ”casing”.    2. I takt med att den relativa hastigheten ökar, kretsbanan för    läckage virveln rör sig bort från  skovelns sugsida och närmare mot ”casing”.  3. Den  relativa  rörelsen  tenderar  att  omvandla  virveln  från  cirkulär  till  oval  form  på  grund  av  skjuvkrafter.  4. Den relativa rörelsen av ”casing” påverkar inte det totala tryckfältet när det gäller det absoluta  tryckvärdet. Samtidigt som den totala tryckförlusten minskar något med ökad hastighet.  5. Virveltransport från toppspelet till huvudkanalen kan på ett betydande sätt bidra till att skapa  virvelns inre kärna.  I senare delen av arbetet utvecklas och tillämpas en förenklad modell för plasmaaktivering av DBD  baserad  på  litteratur  [1],  genom  att  använda  UDF‐funktionen  i  kommersiell  CFD  programvara  Fluent.  Olika  aktuatorläge,  spänningar  och  frekvenser  prövas  i  simuleringen  och  jämförs.  De  viktigaste slutsatserna är följande:    6. Aktuering av plasma visar en betydande dämpningseffekt på läckagevirveln i toppspelet både  va det gäller dess storlek, bana och styrka.  7. Den  dämpande  effekten  på  läckagevirveln  blir  starkare  när  aktuator  monteras  närmare  skovelns framkant.  8. Ökad aktuatorspänning leder till en starkare dämpande effekt på läckagevirveln.  9. Ökad aktuatorfrekvens leder till starkare dämpningseffekt på läckagevortex också.mDessutom  fungerar frekvensen något bättre än spänningen.  10. Den  relativa  rörelsen  av  ”casing”  försvagar  effekten  av  plasmaaktuering.  För  att  uppnå  tillräcklig dämpningseffekt i riktiga kompressorer krävs mer effekt till aktuatorn.

The tips of unshrouded, high-pressure turbine blades are prone to significantly high heat loads. The gap between the tip and over-tip casing is the root cause of undesirable over-tip leakage flow that is directly responsible for high thermal material degradation and is a major source of aerodynamic loss within a turbine. Both must be minimised for the safe working and improved performance of future gas-turbines. A joint experimental and numerical study is presented to understand and characterise the heat transfer and aerodynamics of unshrouded blade tips. The investigation is undertaken with the use of a squealer or cavity tip design, known for offering the best overall compromise between the tip aerodynamics, heat transfer and mechanical stress. Since there is a lack of understanding of these tips at engine-realistic conditions, the present study comprises of a detailed analysis using a high-speed linear cascade and computational simulations. The aero-thermal performance is studied to provide a better insight into the behaviour of squealer tips, the effects of casing movement and tip cooling. The linear cascade environment has proved beneficial for its offering of spatially-resolved data maps and its ability to validate computational results. Due to the unknown tip gap height within an entire engine cycle, the effects of gap height are assessed. The squealer's aero-thermal performance has been shown to be linked with the gap height, and qualitative different trends in heat transfer are established between low-speed and high-speed tip flow regimes. To the author's knowledge, the present work is the first of its kind, providing comprehensive aero-thermal experimental research and a dataset for a squealer tip at engine-representative transonic conditions. It is also unique in terms of conducting direct and systematic validations of a major industrial computational fluid dynamics method for aero-thermal performance prediction of squealer tips at enginerepresentative transonic conditions. Finally, after recognising the highest heat loads are found on the squealer rims, a novel shaped squealer tip has been investigated to help improve the thermal performance of the squealer with a goal to improve its durability. It has been discovered that a seven percent reduction in tip temperature can be achieved through incorporating a shaped squealer and maximising the internal cooling performance.

L’écoulement de jeu dans les compresseurs axiaux est étudié à l’aide de la Zonal Detached Eddy Simulation (ZDES). L’objectif consiste à évaluer la capacité de méthodes hybrides URANS/LES à simuler l’écoulement de jeu d’un compresseur axial réaliste afin de mieux comprendre la physique de cet écoulement, notamment son comportement au vannage ainsi que l’effet de sillages venant du stator amont sur le rotor aval. Après avoir choisi la méthode hybride ZDES, un banc d’essai numérique est défini afin de simuler le premier rotor du compresseur de recherche CREATE. Ce banc a la particularité de pouvoir prendre en compte les effets instationnaires venant de la roue directrice d’entrée (RDE), notamment son sillage ainsi que les tourbillons générés en pied et en tête. Basé sur des critères de maillage ZDES, il est utilisé pour évaluer cette méthode comparativement aux méthodes classiques RANS et URANS. La ZDES est validée par étape jusqu’à une analyse spectrale de l’écoulement de jeu se basant sur des données expérimentales. Elle s’est révélée capable de capturer plus précisément l’intensité et la position des phénomènes instationnaires rencontrés en tête du rotor, notamment le tourbillon de jeu. Les densités spectrales de puissance analysées montrent que cela est dû en partie à une meilleure prise en compte du transfert d’énergie des grandes vers les petites structures de l’écoulement avant leur dissipation. De plus, l’écart entre les approches s’accentue lorsque le tourbillon de jeu traverse le choc en tête. Proche pompage, les effets d’interaction entre le choc, le tourbillon de jeu, la couche limite carter et le tourbillon venant de la tête de la RDE sont amplifiés. Le décollement de la couche limite carter s’accentue et une inversion locale de l’écoulement est observée. De plus, le tourbillon de jeu s’élargit et est dévié vers la pale adjacente, ce qui intensifie le phénomène de double écoulement de jeu. L’interaction du tourbillon venant de la tête de la RDE avec le choc et le tourbillon de jeu du rotor est ensuite étudiée au point de dessin. Un battement du tourbillon de jeu est rencontré lors de l’interaction de ce tourbillon avec le tourbillon de tête de la RDE, ce qui diminue le double écoulement de jeu. / The tip-leakage flow in axial compressors is studied with the Zonal Detached Eddy Simulation (ZDES). This study aims at evaluating the capability of hybrid URANS/LES methods to simulate the tip-leakage flow within a realistic axial compressor in order to better understand the involved physics, especially the behaviour of the flow near surge and the effects of stator wakes on the downstream rotor. Once the ZDES method is chosen, a numerical test bench is defined to simulate the first rotor of the research compressor CREATE. This bench takes into account the unsteady effects of the Inlet Guide Vane (IGV), such as its wake as well as vortices generated at the IGV hub and tip. It is based upon ZDES meshing criteria and is used to evaluate this method compared to classic RANS and URANS approaches. A method validation is carried out up to a spectral analysis compared to experimental data. The ZDES is capable to capture more accurately the intensity and position of the unsteady phenomena encountered in the tip region, especially the tip-leakage vortex. The power spectral densities highlight that this partly originates from a better capture of the energy transfer from large to small structures until their dissipation. The discrepancy between the methods is accentuated as the tip-leakage vortex crosses the shock. Near the surge line, the interactions between the shock, the tip-leakage vortex, the boundary layer developing on the shroud and the vortex generated by the IGV tip are amplified. The boundary layer on the shroud separates earlier and a local flow inversion occurs. Besides, the tip-leakage vortex widens and is deflected toward the adjacent blade. This strengthens the double leakage. At the design operating point, the interaction of the IGV tip vortex with the shock and the rotor tip vortex is studied. A vortex flutter is observed as the IGV tip vortex arrives on the rotor blade and stretches the rotor tip vortex. This phenomenon decreases the double leakage.

No description available.