Simulation of the suction performance of low-pressure fuel pumps

Simulation des performances d'aspiration des pompes à carburant basse pression La pompe basse pression (BP) est un élément primordial du circuit carburant des hélicoptères. Elle doit, d’une part, aspirer le carburant contenu dans le réservoir de l’hélicoptère, et d’autre part, alimenter en débit-pression la pompe haute pression du circuit carburant. De nombreux phénomènes physiques peuvent dégrader les performances de la pompe BP. Les plus significatifs sont les phénomènes de vapor lock et de cavitation survenant lorsqu’une vaporisation locale du carburant est causée par les fortes fluctuations de pression au sein de la pompe. Les performances de pompe peuvent également être affectées par le bruit acoustique généré par l’écoulement dans celle-ci. La multitude de phénomènes physiques instationnaires évoluant dans la pompe, associée à la complexité du design, rendent la modélisation numérique de l’écoulement difficile et coûteuse. L’objectif de cette thèse est de développer des méthodes de simulation numériques aux grandes échelles (LES) permettant de modéliser l’écoulement dans la pompe pour fournir une estimation des performances d’aspiration de celle-ci ainsi qu’une prédiction de l’apparition de cavitation. Les développements réalisés durant cette thèse sont implémentés dans la librairie de calcul haute fidélité massivement parallèle YALES2 développée au CORIA et utilisée à SAFRAN. La simulation LES de l’écoulement dans la pompe présente deux challenges. Le premier est la modélisation du rotor de la pompe, notamment du faible jeu entre le bout de pale et le carter de pompe. Le second et principal challenge d’une simulation LES de l’écoulement dans la pompe basse pression est la modélisation fidèle des effets convectifs et acoustiques dans un contexte bas Mach. Dans une première partie, une approche incompressible est développée pour étudier l’écoulement dans la pompe en faisant l’hypothèse que celle-ci fonctionne sans changement de phase local du carburant. Un couplage hybride LES/CAA (Computational AeroAcoustic), entre le solveur incompressible et le solveur d’acoustique linéaire de YALES2, est développé pour reconstruire les fluctuations de pression d’origines hydro-acoustiques générées par l’écoulement. Les effets acoustiques sont résolus implicitement afin de ne pas être limité par le pas de temps acoustique à bas-Mach. Une fois validée sur des configurations académiques en body-fitted, la méthode est adaptée au formalisme du solveur aux frontières immergées de YALES2 pour prendre en compte le mouvement du rotor de la pompe. Une simulation monophasique de la pompe basse pression EVO de SAFRAN est réalisée. La physique générale de l’écoulement modélisée dans la pompe est en accord avec des constatations d’essais et des phénomènes de bruit acoustique ainsi que de potentiel vaporisation du carburant sont détectés. Cependant, cette simulation met également en lumière les limites d’une approche incompressible, négligeant l’impact de la cavitation sur l’écoulement, pour le calcul fidèle des performances d’aspiration de la pompe. Dans une seconde partie, un nouveau solveur compressible pressure-based est développé. L’intérêt est ici porté sur la capacité du solveur à résoudre implicitement et avec précision la propagation des ondes acoustiques dans un écoulement bas-Mach. Implémentée dans YALES2 puis testée sur des cas théoriques d’écoulements subsoniques, cette nouvelle méthode semble prometteuse mais nécessite un certain nombre d’amélioration afin d’atteindre le niveau de maturité des codes compressibles pressure-based de la littérature. Les étapes de développement pour de futurs travaux concernant ce solveur sont finalement présentées.