Thesis (M.S.) -- Mississippi State University. Department of Computational Engineering. / Title from title screen. Includes bibliographical references.

Les écoulements en turbomachines (et notamment en turboréacteurs) sont caractérisés par de larges structures tourbillonnaires et de fortes intensités turbulentes. Ainsi, l’écoulement secondaire dans la région du jeu, en tête d’aube, est l’origine de pertes d’énergie, d’instabilités et de nuisances sonores. Une simulation fine de ces écoulements peut être obtenue par l’emploi de méthodes LES (Large-Eddy Simulation), qui permettent de capturer les fluctuations turbulentes majeures. Compte tenu des phénomènes rencontrés, le modèle de sous-maille SISM (shear-improved Smagorinsky model) est retenu ici. Ce modèle est local dans son écriture, et prend en compte l’influence du cisaillement moyen. Nous proposons ici deux méthodes de filtrage (locales en espace elles aussi) pour obtenir une évaluation du champ moyen requis par le modèle. Ces méthodes sont, dans un premier temps, testées sur une configuration de canal plan. L’écoulement en régime sous-critique autour d’un barreau cylindrique (Re = 4, 7 ×104) est proposé comme cas-test académique sélectif pour ces méthodes : cet écoulement présente de larges structures tourbillonnaires ainsi qu’une turbulence intense, tout comme l’écoulement de jeu. Les simulations permettent l’obtention de résultats très proches des données expérimentales. Une étude comparée des deux algorithmes d’extraction du champ moyen montre que l’adaptativité du filtrage de Kalman offre toutefois des résultats légèrement meilleurs. Enfin, l’analyse d’un écoulement de jeu par une méthode zonale est réalisée (approche LES en tête d’aube, RANS en pied). La simulation de référence obtient des résultats remarquables dans la zone de tête d’aube, en retrouvant notamment les spectres de vitesse expérimentaux. Une seconde simulation avec l’emploi d’un dispositif de contrôle par aspiration au niveau du carter montre deux conséquences principales à ce dispositif: une réduction des niveaux de turbulence aux environs de la tête d’aube, et une modification de la trajectoire du tourbillon de jeu. Celui-ci rencontre l’aube suivante dans la configuration de référence, ce qui n’est plus le cas dans la configuration avec contrôle. Ces deux observations ont une importance certaine dans la réduction des sources acoustiques. / Flows in turbomachines such as jet engines are subject to large vortical structures and strong turbulent intensities. In particular, secondary flows generated in the fan tip region result in energy losses, instabilities and noise radiation. An accurate simulation of such flows can be achieved with large-eddy simulation(LES), which reproduces the most energetic turbulent eddies. In regard of the flowphysics of highly unsteady wall-bounded flows, the SISM (shear-improved Smagorinsky model) is selected to model the sub-grid scales in the present study. This model is local and takes into account the influence of the mean shear. Two smoothing algorithms that are local in space are developed to evaluate the mean flow required by the model : an exponential averaging and an adaptative Kalman filter. These methods are first tested in a channel flow configuration. The numerical approaches are then evaluated on a relevant academic test case :the flow past a circular cylinder in the sub-critical regime (Re = 4, 7 × 104). This flow is dominated by large quasi-periodic vortical structures together with high intensity turbulent fluctuations; quite similarly but much simpler than those found in the tip gap flow. The aerodynamic as well as the acoustic results of the simulations are in very good agreement with the experimental data. A comparative study of the two smoothing algorithms for mean-flow extraction shows that the adaptability of the Kalman filtering leads to slightly better results. Finally, the study of a fan tip-gap flow is carried out with a zonal approach (LES in the tip region, RANS in the hub and midspan region). The reference simulation gives remarkable results in the blade-tip region, particularly for the velocity spectra. A second simulation with a control device by suction through the casing close to the blade leading edge shows two interesting features : a reduction of the turbulence level around the blade tip, and a modification of the tip-vortex trajectory (thus preventing impingement on the adjacent blade). These effects induce a notable reduction of the noise sources.

New materials and new fabrication techniques in turbomachinery lead to monolithic<p>structures with extremely low damping which may be responsible for severe vibrations<p>and possible high-cycle fatigue problems. To solve this, various techniques<p>of damping enhancement are under investigation. The present work is focused on<p>piezoelectric shunt damping.<p>This thesis considers the RL shunt damping of rotationally periodic structures using<p>an array of piezoelectric patches, with an application to a bladed drum representative<p>of those used in turbomachinery. Due to the periodicity and the cyclic symmetry of<p>the structure, the blade modes occur by families with very close resonance frequencies,<p>and harmonic shape in the circumferential direction; the proposed RL shunt<p>approaches take advantage of these two features.<p>When a family of modes is targeted for damping, the piezoelectric patches are<p>shunted independently on identical RL circuits, and tuned roughly on the average<p>value of the resonance frequencies of the targeted modes. This independent<p>configuration offers a damping solution effective on the whole family of modes, but<p>it requires the use of synthetic inductors, which is a serious drawback for rotating<p>machines.<p>When a specific mode with n nodal diameters has been identified as critical and<p>is targeted for damping, one can take advantage of its harmonic shape to organize<p>the piezoelectric patches in two parallel loops. This parallel approach reduces considerably<p>the demand on the inductors of the tuned inductive shunt, as compared<p>to independent loops, and offers a practical solution for a fully passive integration<p>of the inductive shunt in a rotating structure.<p>Various methods are investigated numerically and experimentally on a cantilever<p>beam, a bladed rail, a circular plate, and a bladed drum. The influence of blade<p>mistuning is also investigated. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The development of a Doppler Global Veocimetry (DGV) system is described. An argon ion laser has been modified to suit the requirements of DGV. An etalon with high precision tilting control has been mounted in the laser cavity. The backward mirror of the laser cavity has been mounted on a piezotranslator for controlling the laser cavity length. Two iodine cells have been designed and manufactured: one with a bead of iodine in the cell volume, the other with a limited amount of iodine. The iodine absorption line of both cells has been calibrated with good repeatibility. The laser has been stabilized in frequency, so that operations during a measurement session in the lab are simplified. The capabilities of DGV measurements have been tested in two jets, at low and at high speeds. Velocity fluctuations of the jet could be followed, in spite of the highly noisy signals. The first steps towards three velocity component measurements with a single camera in a difficult environment such as the geometry of a turbomchinery cascade have been made. Imaging two views of a target on the same camera sensor is discussed, along with the spatial and luminosity calibration required. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Thesis (MEng.)-- University of Stellenbosch, 1992. 140 leaves on single pages, preliminary pages i-xi and numbered pages 1-113. Includes bibliography. Digitized at 600 dpi grayscale to pdf format (OCR),using an Bizhub 250 Konica Minolta Scanner and at 300 dpi grayscale to pdf format (OCR), using a Hp Scanjet 8250 Scanner. / Thesis (MEng (Mechanical and Mechatronic Engineering))--University of Stellenbosch, 1992 / ENGLISH ABSTRACT: The large variety of turbo-machinery blade root geometries in use in industry prompted the question if a optimum geometry could be found. An optimum blade root was defined as a root with a practical geometry which, when loaded, returns the minimum fillet stress concentration factor. A literature survey on the subject provided guidelines but very little real data to work from. An initial optimization was carried out using a formula developed by Heywood to determine loaded projection fillet stresses. The method was found to produce unsatisfactory results, prompting a photoelastic investigation. This experimental optimization was conducted in two stages. A single tang defined load stage and a single tang in-rotor stage which modeled the practical situation. The defined load stage was undertaken in three phases. The first phase was a preliminary investigation, the second phase was a parameter optimization and the third phase was a geometric optimization based on a material utilization optimization. This material optimization approach produced good results. From these experiments a practical optimum geometry was defined. A mathematical model which predicts the fillet stress concentration factor for a given root geometry is presented. The effect of expanding the single tang optimum to a three tang root was examined. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die groot verskeidenheid lemwortelgeometrieë wat in turbomasjiene gebruik word het die vraag na 'n optimum geometrie laat ontstaan. Vir hierdie ondersoek is 'n optimum geometrie gedefineer as 'n praktiese geometrie wat, as dit belas word, die mimimum vloeistukspanningskonsentrasiefaktor laat ontstaan. 'n Literatuur studie het riglyne aan die navorsing gegee maar het wynig spesifieke en bruikbare data opgelewer. Die eerste optimering is met die Heywood formule, wat vloeistukspannings in belaste projeksies bepaal, aangepak. Die metode het nie bevredigende resultate opgelewer nie. 'n Fotoelastiese ondersoek het die basis vir verdere optimeering gevorm. Hierdie eksperimentele optimering is in twee stappe onderneem. 'n Enkelhaak gedefineerde lasgedeelte en 'n enkelhaak in-rotor gedeelte het die praktiese situasie gemodeleer. Die gedefineerde lasgedeelte is in drie fases opgedeel. Die eerste fase was n voorlopige ondersoek. Die tweede fase was 'n parameter optimering. 'n Geometrie optimering gebasseer op 'n materiaal benuttings minimering het die derde fase uitgemaak. Die materiaal optimerings benadering het goeie resultate opgelewer. Vanuit hierdie eksperimente is 'n optimum praktiese geometrie bepaal. 'n Wiskundige model is ontwikkel, wat die vloeistukspanningskonsentrasiefaktor vir 'n gegewe wortelgeometrie voorspel. Die resultaat van 'n geometriese uitbreiding van die enkelhaaklemwortel na 'n driehaaklemwortel op die spanningsverdeling is ondersoek.

The flow field behavior of axial flow turbines is of great importance, especially in modern designs that may operate at a low Reynolds number. At these low Reynolds numbers, the efficiency loss is significantly augmented compared to higher Reynolds number flows. A detailed incompressible numerical study of a single stage axial-flow turbine at a low Reynolds number is investigated with the use of multiple eddy-viscosity turbulence models. The study includes epistemic uncertainty quantification as a form of numerical error estimation. The numerical results show good qualitative and quantitative agreement with experimental data. It was found that the shear stress transport (SST) k - ω turbulence model with rotation/curvature correction and inclusion of transition modeling is most capable at predicting the mean velocity distribution, which is further enhanced when the URANS formulation is employed. However, all the cases indicate a large variation in the prediction of the root-mean-squared of the turbulent velocity fluctuations. / Includes bibliography. / Thesis (M.S.)--Florida Atlantic University, 2016. / FAU Electronic Theses and Dissertations Collection

Le fretting est un endommagement induit par le glissement cyclique à très faible amplitude de deux corps en contact. Il se caractérise par un amorçage d’une fissure en surface, qui peut ensuite propager, menant ainsi à la rupture. Le fretting est présent dans de nombreux secteurs industriels où il constitue un critère de résistance à la fatigue plus ou moins sévère. Ce mémoire s’intéresse aux fissures de fretting qui apparaissent dans une liaison entre pale et disque d’une turbomachine. La sollicitation cyclique de contact est dans ce cas le fruit de la combinaison d’un chargement statique à un chargement vibratoire à très haute fréquence (quelques milliers de Hertz). Pouvoir estimer la durée de vie de la liaison sous un tel chargement est indispensable pour la sécurité des vols. La méconnaissance de certains paramètres d’entrée, la non-proportionnalité du chargement ainsi que les fortes concentrations de contraintes mises en jeu, sont autant de verrous techniques à la modélisation. Ce mémoire de thèse propose une méthode numérique permettant le calcul d’une criticité à amorçage de fretting sous sollicitation vibratoire. Le modèle se décompose en une première phase de calcul des contraintes et déformations cycliques par éléments finis, suivie d’une seconde qui consiste à post-traiter les résultats avec le critère de Dang Van. Le modèle est développé grâce au support d’un banc d’essai innovant qui permet de reproduire les chargements subis par un contact d’une liaison pale/disque. Une utilisation intensive du processus de calcul mis au point permet de tirer des conclusions et de mieux comprendre les phénomènes mis en jeu dans ce type d’endommagement. Une confrontation des différentes études numériques réalisées permet de comparer la représentativité des moyens expérimentaux par rapport aux configurations moteurs réelles. / Fretting is a damage induced by small cyclic slip of two bodies in contact. It is characterized by surface crack initiation, which can then propagate, thus leading to failure. Fretting is present in many industrial environments where it is a more or less severe resistance criterion. This work focuses on the fretting cracks that appear in blade/disk roots of turboshaft engines. In this case, the cyclic contact loading is the result of the combination of a static loading and a high frequency vibratory loading (some thousands of Hertz). Being able to estimate the lifetime of the root under such a solicitation is essential for flight safety. The lack of knowledge of certain input parameters, the non-proportionality of the solicitation as well as the high stress gradient involved, make this phenomenon difficult to predict. This work proposes a numerical method allowing the computation of a fretting crack initiation criterion. First, stresses and deformations fields are computed with finite element method. Then, the post-processing of the fields is done woth Dang Van criterion. The model is developed with the support of an innovative test bench which makes it possible to reproduce the loadings sustained by a a blade/disk root. An intensive use of the computation process developed makes it possible to draw conclusions and provides better understanding of the phenomenon involved in this type of damage. The different numerical studies carried out make it possible to compare the representativeness of the experimental means with respect to the actual engine configurations.

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Current gas turbine technology for power generation is generally optimised for natural gas. On the basis of current instabilities in natural gas price and supply, the use of alternative fuels, such as syngas, has recently gained high interest. Due to the different thermodynamic properties of syngas compared to natural gas the behaviour of existing gas turbine components may significantly change. From practical and economic points of view, it is generally considered that in order to meet the new fuel properties, the main effort should be put on the adaptation of conventional gas turbines in integrated gasification combined cycle (IGCC) plants rather than producing a new generation of gas turbine designs from scratch. In addition to the requirement of new combustion technologies, main critical issues are represented by the reduction of compressor surge margin and turbine blade overheating. Solutions might include thermodynamic cycle as well as turbine geometry modifications. The latter would be preferred in terms of power plant performance. The main aim of this thesis is to explore suitable solutions to be applied to gas turbine compressors in order to accommodate syngas combustion. Among others, the use of variable stator vanes (VSVs) and blade radial stacking line modifications are considered. These are investigated on reference geometries available in the public domain. A baseline compressor geometry representative of a conventional heavy-duty gas turbine fueled with natural gas is generated and modified according to the understating gained during this study. The re-designed machine is a result of the application of stator vanes re-staggering in the front stages and blade sweep in the rear stages in order to cope with compressor air supply control and critical flow separation regions respectively. The obtained results show that efficient and stable operation during power modulation can be achieved, while reducing the need of other modifications to the combined cycle plant. It was therefore concluded that the proposed option can be considered a viable option to satisfy some important technical and economic constraints imposed by the integration of an existing gas turbine within an IGCC plant.

Les turbomachines aéronautiques sont composées de plusieurs roues aubagées dont la fonction estde transférer l’énergie de l’air au rotor. Les roues aubagées des modules compresseur et turbine sontdes pièces particulièrement sensibles car elles doivent répondre à des impératifs de performanceaérodynamique, de tenue mécanique, de tenue thermique et de performance acoustique. L’optimisation aéro-méca-acoustique ou aéro-thermo-mécanique des aubages consiste à chercher, pourun ensemble de formes aérodynamiques paramétrées (par plusieurs dizaines de variables), celleassurant le meilleur compromis entre la performance aérodynamique du moteur et la satisfactionde plusieurs dizaines de contraintes souvent contradictoires. Cette thèse introduit une méthode d’optimisation basée sur les métamodèles et adaptée à la grande dimension pour répondre à la problématique industrielle des aubages. Les contributions de cettethèse portent sur deux aspects : le développement de modèles de krigeage, et l’adaptation d’unestratégie d’optimisation pour la gestion du grand nombre de variables et de contraintes.La première partie de ce travail traite des modèles de krigeage. Nous avons proposé une nouvelleformulation du noyau de covariance permettant de réduire le nombre de paramètres du modèleafin d’accélérer sa construction. Une des limitations connues du modèle de krigeage concernel’estimation de ses paramètres. Cette estimation devient de plus en plus difficile lorsque nousaugmentons la dimension du phénomène à approcher. En particulier, la base de données nécessitedavantage de points et par conséquent la matrice de covariance du modèle du krigeage est de plusen plus coûteuse à inverser. Notre approche consiste à réduire le nombre de paramètres à estimer en utilisant la méthode de régression des moindres carrés partiels (PLS pour Partial Least Squares). Cette méthode de réduction dimensionnelle fournit des informations sur la relation linéaire entre les variables d’entrée et la variable de sortie. Ces informations ont été intégrées dans les noyaux du modèle de krigeage tout en conservant les propriétés de symétrie et de positivité des noyaux. Grâce à cette approche, la construction de ces nouveaux modèles appelés KPLS est très rapide étant donné le faible nombre de paramètres nécessaires à estimer. La validation de ces modèles KPLS sur des cas test académiques ou industriels a démontré leur qualité de prédiction équivalente voire même meilleure que celle des modèles de krigeage classiques. Dans le cas de noyaux de covariance de type exponentiel, laméthode KPLS peut être utilisée pour initialiser les paramètres du krigeage classique, afin d’accélérerla convergence de l’estimation des paramètres du modèle. La méthode résultante, notée KPLS+K, a permis d’améliorer la qualité des modèles dans le cas de fonctions fortement multimodales. La deuxième contribution de la thèse a consisté à développer une stratégie d’optimisation globale sous contraintes pour la grande dimension, en s’appuyant sur les modèles KPLS ou les modèlesKPLS+K. En effet, nous avons étendu la méthode d’optimisation auto-adaptative connue dans lalittérature sous le nom "Efficient Global Optimisation, EGO" pour gérer les problèmes d’optimisationsous contraintes en grande dimension. Différents critères d’enrichissement adaptatifs ont pu êtreexplorés. Cette stratégie a permis de retrouver l’optimum global sur des problèmes académiquesjusqu’à la dimension 50. La méthode proposée a été confrontée à deux types de problèmes industriels, le cas test MOPTA issu de l’industrie automobile (124 variables d’entrée et 68 fonctions contraintes) et le cas test Snecma des aubes de turbomachines (50 variables d’entrée et 31 fonctions contraintes). Les résultats ont permis de montrer la validité de la démarche ainsi que les limites de la méthode pour une application dans un cadre industriel. / Aerospace turbomachinery consists of a plurality of blades. Their main function is to transfer energybetween the air and the rotor. The bladed disks of the compressor are particularly important becausethey must satisfy both the requirements of aerodynamic performance and mechanical resistance.Mechanical and aerodynamic optimization of blades consists in searching for a set of parameterizedaerodynamic shape that ensures the best compromise solution between a set of constraints.This PhD introduces a surrogate-based optimization method well adapted to high-dimensionalproblems. This kind of high-dimensional problem is very similar to the Snecma’s problems. Ourmain contributions can be divided into two parts : Kriging models development and enhancementof an existing optimization method to handle high-dimensional problems under a large number ofconstraints. Concerning Kriging models, we propose a new formulation of covariance kernel which is able toreduce the number of hyper-parameters in order to accelerate the construction of the metamodel.One of the known limitations of Kriging models is about the estimation of its hyper-parameters.This estimation becomes more and more difficult when the number of dimension increases. Inparticular, the initial design of experiments (for surrogate modelling construction) requires animportant number of points and therefore the inversion of the covariance matrix becomes timeconsuming. Our approach consists in reducing the number of parameters to estimate using the Partial LeastSquares regression method (PLS). This method provides information about the linear relationshipbetween input and output variables. This information is integrated into the Kriging model kernelwhile maintaining the symmetry and the positivity properties of the kernels. Thanks to this approach,the construction of these new models called KPLS is very fast because of the low number of newparameters to estimate. When the covariance kernel used is of an exponential type, the KPLS methodcan be used to initialize parameters of classical Kriging models, to accelerate the convergence of theestimation of parameters. The final method, called KPLS+K, allows to improve the accuracy of themodel for multimodal functions. The second main contribution of this PhD is to develop a global optimization method to tacklehigh-dimensional problems under a large number of constraint functions thanks to KPLS or KPLS+Kmethod. Indeed, we extended the self adaptive optimization method called "Efficient Global Optimization,EGO" for high-dimensional problems under constraints. Several enriching criteria have been tested. This method allows to estimate known global optima on academic problems up to 50 inputvariables. The proposed method is tested on two industrial cases, the first one, "MOPTA", from the automotiveindustry (with 124 input variables and 68 constraint functions) and the second one is a turbineblade from Snecma company (with 50 input variables and 31 constraint functions). The results showthe effectiveness of the method to handle industrial problems.We also highlight some importantlimitations.