Les doublets d'hélices contra-rotatives (CROR) sont un moyen alternatif aux turbofans actuels pour propulser les avions commerciaux. Un CROR est composé de 2 soufflantes coaxiales non carénées tournant dans des sens opposées. Actuellement, les CROR pourraient réduire les émissions de CO2 mais les émissions sonores pourraient être un frein à leur commercialisation. Au décollage et en condition d'approche, le son est principalement créé par la charge instationnaire subie par un des rotor. Cette charge provient de l'interaction d'un des rotors avec des fluctuations de vitesses périodiques produites par l'autre. Ce bruit d'interaction provient principalement de 3 sources principales. La première est liée à l'interaction des sillages visqueux provenant du rotor amont qui se font découper par le bord d'attaque des pales du rotor aval. La seconde est liée au potentiel de vitesse créé par le bord d'attaque des pales du rotor aval qui influence les vitesses vues au bord de fuite des pales du rotor amont. La dernière provient de l'interaction des pales du rotor aval avec les tourbillons d'extrémités créés en tête ou en pied de pale du rotor amont. Cette dernière interaction s'est avérée principale pour des conditions d'approche et de décollage. Pour réduire l'interaction tourbillon de tête - pale aval pour des conditions nominales de vol, le rayon maximal des pales du rotor aval est rogné. Le rognage classique est obtenu pour les conditions de décollage et d'approche où l'effet de contraction de la veine fluide est le plus important. Cependant, le CROR est alors considéré avec un écoulement uniforme sans angle d'incidence. Avant de prendre en compte les effets d'incidences, il peut être intéressant de prendre en compte l'angle de contraction de la veine fluide qui pour certaines configurations et points de fonctionnement est suffisant pour réactiver l'interaction paletourbillon. L'interaction est alors tridimensionnelle, toutes les composantes de la vitesse du tourbillon contribuent au bruit émis. Le but de cette étude sera d'analyser l'influence de la contraction de la veine fluide et des trois composantes de la vitesse du tourbillon de tête sur la charge instationnaire vu par la pale aval. Ces améliorations seront implémentées dans un outil de prévision de bruit de turbomachines : Optibrui. Une étude paramétrique préliminaire sera faite sur cette source. Les retombées de cette étude sont doubles. Tout d'abord, une meilleure compréhension des mécanismes d'interactions entre un tourbillon et une pale tournante dans des conditions réalistes sera possible. Ensuite, un outil rapide d'évaluation préliminaire du bruit provenant de l'interaction pale-tourbillon sera incorporé dans le but de pouvoir effectuer une optimisation aéroacoustique sur des géométries préliminaires. / No abstract

Cette thèse s'intéresse à l'amélioration de la prévision de l'éclatement des pièces tournantes des turbomachines. L'axe de recherche principal a été celui de l'identification du comportement du matériau jusqu'à rupture pour des sollicitations multi-axiales représentatives et l'identification des conditions de rupture locale elles mêmes. Pour cela une approche basée sur la corrélation d'image numérique intégrée a été suivie. L'autre axe abordé dans cette thèse a été celui de la prévision objective et robuste de la rupture par la mécanique de l'endommagement dans le cadre de simulations explicites utilisant des techniques de scaling pour diminuer les temps de calcul. Deux matériaux ont été étudiés, un alliage titane TA6V et un alliage nickel Udimet 500. Des éprouvettes ont été définies pour permettre d'avoir des sollicitations proches de celles en service et pour permettre d'utiliser des techniques de mesure de champs. Un code commercial (ABAQUS) est utilisé dans une approche intégrée de la corrélation des images numériques (CIN). Le principe de ces méthodes est d'optimiser la corrélation directement à partir des paramètres du modèle sans passer par une procédure intermédiaire demandant de reconstruire préalablement les champs de déformations. Cette technique, qui peut-être vu comme très régularisante, confère à la méthode une grande robustesse, ce qui permet d'obtenir des informations même en présence de mouchetis dégradés lors des phases ultimes de chargement. L'ensemble des paramètres constitutifs des modèles peut alors être identifié avec un seul essai hétérogène. Dans l'étude un accent particulier a été mis sur l'analyse des champs de triaxialité, dont l'importance sur les conditions de rupture est suspectée, en utilisant des éprouvettes fines et des éprouvettes épaisses. Des lois de comportement ont pu être identifié pour des niveaux de déformations plastiques jusqu'à 3 fois supérieurs à ceux atteints dans des essais de traction uni-axiaux et ceci en présence d'adoucissement global. L'intégration étroite des essais et des simulations a également permis d'analyser l'état de déformation et contraintes des éléments proches de la surface de rupture juste avant celle-ci et ainsi de tester des critères de rupture potentiels avec un grand nombre de données. Pour la seconde partie de la thèse, plus exploratoire faute de temps, une étude préliminaire a porté sur la possibilité d'utiliser des modèles à taux d'endommagement limités combinés avec des techniques de scaling pour utiliser des simulations explicites dans le cadre de sollicitations centrifuges quasi-statiques. Les premiers résultats montrent qu'une accélération est possible avec des niveaux d'erreurs relativement bas sur les vitesses de rotation conduisant à la rupture et ceci dans des temps comparables avec des simulations implicites quasi-statique, l'avantage étant la robustesse des analyses en dynamique explicite. / This thesis addresses the amelioration of the burst prediction of turbo-engines rotating parts.The principal axis of this study was the identification of the material behaviour up fracture under multi-axial loading and the identification of the local condition at failure. To accomplish this, an integrated digital image correlation approach was employed.The other thematic axis of this thesis was the objective and robust prediction of rupture using the damage mechanics in the framework of explicit simulations and the study of the influence, on the prediction, of various scaling techniques used to decrease the computation time.Two materials were studied, the titanium alloy TA6V and the nickel alloy Udimet 500. The samples were defined to guarantee similar loading conditions as those in the disks in service and to allow the use of field measurement techniques.A commercial code (ABAQUS) is used in an integrated approach to Digital Image Correlation (DIC). The principle of this method is to optimize the correlation of the test directly with the model parameters without passing by an intermediate procedure requiring the reconstruction of the deformation field beforehand. This technique, which can be seen as highly regularising, grants a considerable robustness to the method, which allows obtaining information from degraded speckle patterns encountered at the end of the test. The entire set of constitutive parameters can be identified with only one heterogeneous test. Within this study, a particular accent was laid on the analysis of triaxiality fields by using thin and thick samples. The importance of these fields for the fracture conditions is suspected.Constitutive models were identified for plastic strains that were about three times higher than the ones achievable in uniaxial tensile test on smooth sample.The close integration of the experiments and simulations allowed the analysis of deformation and stresses of the elements near the failure surface at the instant just before failure. This allowed the testing of different criteria with a large amount of data.For the second axis of the thesis, preliminary studies examined the possibility to use limited damage rate models combined with scaling techniques. These latter allow performing explicit simulations in context of a centrifugal quasi-static loading. The results show that acceleration is possible. The errors of the rotational speeds, which lead to disk fracture, are relatively low. The simulation times are comparable to implicit quasi-static simulations, while the main advantage is the maintained robustness in explicit simulations.

Actuator applications of shape memory alloys have typically been limited by their phase transformation temperatures to around 100 degrees C. However, recently with a focus on aerospace and turbomachinery applications there have been successful efforts to increase the phase transformation temperatures. Several of these alloy development efforts have involved ternary and quaternary elemental additions (e.g., Pt, Pd, etc.) to binary NiTi alloys. Experimentally assessing the effects of varying composition and thermo-mechanical processing parameters can be cost intensive, especially when expensive, high-purity elemental additions are involved. Thus, in order to save on development costs there is value in establishing a methodology that facilitates the fabrication, processing and testing of smaller specimens, rather than larger specimens from commercial billets. With the objective of establishing such a methodology, this work compares thermo-mechanical test results from bulk dog-bone tensile Ni29.5Ti50.5Pd20 samples (7.62 mm diameter) with that of thin wires (100 μm-150 µm diameter) extracted from comparable, untested bulk samples by wire electrical-discharge machining (EDM). The wires were subsequently electropolished to different cross-sections, characterized with Scanning Electron Microscopy, Transmission Electron Microscopy and Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy to verify the removal of the heat affected zone following EDM and subjected to Laser Scanning Confocal Microscopy to accurately determine their cross-sections before thermo-mechanical testing. Stress-strain and load-bias experiments were then performed on these wires using a dynamic mechanical analyzer and compared with results established in iv previous studies for comparable bulk tensile specimens. On comparing the results from a bulk tensile sample with that of the micron-scale wires, the overall thermomechanical trends were accurately captured by the micron-scale wires for both the constrained recovery and monotonic tensile tests. Specifically, there was good agreement between the stress-strain response in both the martensitic and austenitic phases, the transformation strains at lower stresses in constrained recovery, and the transformation temperatures at higher stresses in constrained recovery. This work thus validated that carefully prepared micron-diameter samples can be used to obtain representative bulk thermo-mechanical properties, and is useful for fabricating and optimizing composition and thermomechanical processing parameters in prototype button melts prior to commercial production. This work additionally assesses potential applications of high temperature shape memory alloy actuator seals in turbomachinery. A concept for a shape memory alloy turbine labyrinth seal is also presented. Funding support from NASA’s Fundamental Aeronautics Program, Supersonics Project (NNX08AB51A) and Siemens Energy is acknowledged.

A series of experiments was conducted to investigate the radiation of fan noise through a supersonic inlet. A scaled-down model of an axisymmetric, mixed-compression, supersonic inlet (P-inlet) was used in conjunction with a 10.4 cm (4.1 in) diameter turbofan engine simulator as the noise source. The tests were conducted at an outdoor facility under static conditions. An attempt is made to reduce the fan noise radiated in the forward sector by modifying the auxiliary inlet doors. The modified doors are designed to reduce the inlet distortion to the fan face. In addition, the new design also uses a converging flow passage in the auxiliary doors in order to take advantage of the noise attenuation due to the choking effect. Both aerodynamic and acoustic measurements are taken in the experiments. The results show that when compared to the original design, the modified auxiliary inlet doors are successful in reducing distortion to the fan face, and that the blade passing frequency tone has been decreased by an average of 6 dB in the forward sector. Results from the closed auxiliary inlet door case are also presented to provide additional comparisons. / Master of Science

The influence of tip clearance and angle of attack upon the mid-span unsteady pressure response of a vibrating flat plate was investigated experimentally. Unsteady pressure measurements were taken for a variety of incidence angles, vibration frequencies and tip clearances over a Mach number range of 0.2 to 0.6. It was found that changes in tip clearance had an effect on measured pressure fluctuations at higher angles of attack and larger Mach numbers. It was also observed that the amplitude of the unsteady pressure increased as the incidence angle was increased. The plate was mechanically induced to oscillate in translation, simulating the flISt bending mode. Averaged Fast Fourier Transforms were used to determine pressure oscillation amplitudes and phase lags with respect to the plate motion. / Master of Science

Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2014. / ENGLISH ABSTRACT: Turbomachinery plays an important role in the efficiency of power generation and combustion processes used in the automotive and aerospace industries. The potential for fulfilling future energy needs has been identified in both civilian and military applications, for example micro gas turbines (MGTs) used in unmanned aireial vehicles (UAVs). The goal of this thesis was to build a performance testing facility for small-scale centrifugal compressors, for use in MGTs. The objectives of this study were mainly achieved through experimental work. In addition to the experimental work, numerical simulations using computational fluid dynamics (CFD) software were performed to substantiate the experimental results. The project methodology followed the process whereby a compressor performance map is constructed from experimental data and compared to map obtained from theoretical data. The test facility consists of a turbocharger fitted with an experimental compressor section. The turbocharger turbine is driven by unheated compressed air. Sensors, data acquisition and ancillary equipment required to perform performance test measurements, were obtained and installed on the test facility. Performance curves at three different rotational speeds were successfully obtained for the experimental compressor. When compared to the CFD results there was good qualitative agreement, although deviations in the results increased with rotational speed. In addition a second impeller design was tested which correlated well with the theoretical data. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Turbomasjinerie speel 'n belangrike rol in die doeltre endheid van kragop- wekking en verbrandingsprosesse wat in die motor- en lugvaartbedryf gebruik word. Die potensiaal om in toekomstige energiebehoeftes te voorsien is in beide burgerlike en militêre toepassings uitgewys, byvoorbeeld mikrogastur- bines (MGT's) wat in onbemande vliegtuie (OLV's) gebruik word. Die doel met hierdie tesis was om 'n prestasietoetsfasiliteit vir kleinskaalse sentrifu- gale kompressors te bou wat in MGT's gebruik kan word. Die doelstellings van hierdie studie is hoofsaaklik deur eksperimentele werk behaal. Daarbe- newens is numeriese simulasies met gebruikmaking van sagteware vir bereke- ningsvloeidinamika (BVD) gedoen om die eksperimentele resultate te staaf. Die projekmetodologie volg die proses om 'n kompressorprestasiekaart uit eks- perimentele data op te stel en dit te vergelyk met 'n kaart wat uit teoretiese data bekom is. Die toetsfasiliteit bestaan uit 'n turboaanjaer wat met 'n eksperimentele kompressordeel toegerus is. Die turboaanjaer se turbine word deur onverhitte druklug aangedryf. Sensors, dataverwerwing en bykomstige toerusting, wat benodig is om prestasietoetsmetings mee te doen, is bekom en op die toetsfasiliteit geïnstalleer. Prestasiekrommes is vervolgens by drie verskillende omwentelingsnelhede suksesvol met die eksperimentele kompres- sor bekom. In vergelyking met die BVD-resultate was daar goeie kwalitatiewe ooreenstemming, ofskoon afwykings in die resultate vergroot het namate die omwentelingspoed toegeneem het. Daarby is 'n tweede stuwerontwerp getoets wat goed met die teoretiese resultate korreleer.

Résumé en français : Dans les turbomachines conventionnelles, l'estimation des performances (rendement, puissance et rapport de pression) se fait en général en admettant l'adiabaticité de l'écoulement. Mais, de nombreuses études ayant montré l'influence négative des échanges thermiques internes et externes sur les performances des petites turbomachines dans les faibles charges et aux bas régimes, cette hypothèse ne peut plus être recevable. L'objectif principal de cette thèse est de contribuer à lever l'hypothèse d'adiabaticité.Une étude préalable de l'état de l'art a permis de relever les différents types de transferts thermiques dans les turbomachines et de circonscrire notre étude.Puis, une analyse exergétique généralisée, ayant pour but la prise en compte des deux principes de la thermodynamique, a été effectuée et l'évolution de l'indice de performance caractérisant le niveau d'énergie récupérable en fonction des échanges thermiques est étudiée.Les performances des turbomachines à fluide compressible sont généralement représentées sous forme graphique dans des systèmes de coordonnées adimensionnelles établies avec l'hypothèse d'adiabaticité. Ces cartographies couramment utilisées par les exploitants et constructeurs ne conviennent pas aux machines fonctionnant avec transferts thermiques. L'étude de la similitude des turbomachines thermiques à fluide compressible présentée dans ce travail, propose de nouvelles coordonnées adimensionnelles pouvant être utilisées aussi bien en adiabatique que dans les écoulements avec transferts thermiques.Enfin, nous proposons un protocole de mesures et un modèle numérique pour l'évaluation des transferts thermiques dans un turbocompresseur.Certains résultats obtenus montrent que les performances calculées avec l'hypothèse d'adiabaticité de l'écoulement du fluide sont surestimées. Les nouvelles lois de la similitude proposées généralisent le théorème de Rateau au fluide compressible fonctionnant dans n'importe quelle condition et permettent de calculer les échanges thermiques à chaud à partir des résultats d'essai à froid. Une donnée supplémentaire (température de refoulement) est néanmoins nécessaire pour la prédiction complète des performances et des échanges thermiques.Le modèle numérique de calcul des échanges thermiques proposé donne des résultats en accord avec ceux attendus, mais nécessite des données réelles issues de mesure sur banc pour une validation complète.

Approved for public release, distribution is unlimited / The flow around second-generation controlled-diffusion blades in cascade at stall was examined experimentally through the use of a two-component laser-Doppler velocimeter. Blade surface pressure measurements were also preformed at mid span on the blades at various Reynolds numbers. Flow visualization techniques were used to observe and record the flow on the surface of the blade. A correlation between the experimental results and computational fluid dynamic predictions was attempted in order to determine the exact nature of the flow as the blades approached stall, to further assist in the development of advanced blade design. The blade surface pressure measurements showed that the mid-span section of the blade was at a lower loading than previously measured at a smaller inlet flow angle. This indicated that the blade section was at stall. The flow visualization highlighted the extent of the three-dimensional flow over the blades. The LDV measurements documented the mid-span boundary layer and wake profiles. / Ensign, United States Navy

The numerical method presented in this study attempts to predict the mean, non-uniform flow field upstream of a propeller partially immersed in a thick turbulent boundary layer with an actuator disk using CFD based on RANS in ANSYS FLUENT. Three different configurations, involving an infinitely thin actuator disk in the freestream (Configuration 1), an actuator disk near a wall with a turbulent boundary layer (Configuration 2), and an actuator disk with a hub near a wall with a turbulent boundary layer (Configuration 3), were analyzed for a variety of advance ratios ranging from J = 0.48 to J =1.44. CFD results are shown to be in agreement with previous works and validated with experimental data of reverse flow occurring within the boundary layer above the flat plate upstream of a rotor in the Virginia Tech’s Stability Wind Tunnel facility. Results from Configuration 3 will be used in future aero-acoustic computations. / Includes bibliography. / Thesis (M.S.)--Florida Atlantic University, 2014. / FAU Electronic Theses and Dissertations Collection

L'objectif de l'optimisation de forme d'une pompe générique de fond de puits est de maximiser le gain de pression par unité de longueur de la pompe, en redessinant ses aubes et son moyeu, tout en respectant un certain nombre de contraintes géométriques. On génère la représentation de la géométrie 3D de la pompe grâce à des B-splines paramétriques cubiques 2D. Pour l'optimisation on utilise une méthode de gradient classique. On emploie Fluent, un logiciel de modélisation de mécanique des fluides "boîte noire" et on procède par conséquent à un calcul de gradient incomplet de la fonction coût. Pour cela on écrit l'expression analytique exacte du gradient à l'aide d'une formule d'intégration sur les bords variables puis on ne prend en compte que les termes que l'on peut calculer ou déterminer numériquement. Les termes généralement écartés sont les dérivées des solutions de l'équation d'état par rapport au déplacement d'un point de contrôle. On a d'abord développé un code d'optimisation pour le moyeu de la pompe seul, sans aubages, et on présente les résultats obtenus. On utilise une méthode d'optimisation sans contrainte et on prend en compte par réduction du problème des contraintes d'égalité linéaires. On constate qu'après une première phase de décroissance, la fonction coût ne converge pas vers un minimum. On propose alors quelques tests de façon à analyser ce résultat. Parmi ceux-là, l'emploi des différences finies confirme que le gradient incomplet n'est pas systématiquement une direction de descente. Enfin quelques pistes sont évoquées pour l'expliquer.