Assessment and optimisation of guide fins for corner separation control in a compressor cascade

Evaluation et optimisation d’ailettes pour le contrôle du décollement de coin dans une grille linéaire de compresseur aéronautique Le décollement de coin est un des phénomènes majeurs limitant l’opérabilité des compresseurs aéronautiques modernes. Les techniques avancées de dessin de stator visant à limiter ce décollement atteignent leurs limites dans un contexte où la charge aérodynamique demandée à chaque étage est de plus en plus importante. Ainsi, l’ajout d’effet technologique de contrôle présentent un intérêt majeur pour dé-contraindre le dessin des stators et améliorer leurs performances. Cependant, la physique du décollement de coin est complexe, et les effets technologiques étudiés actuellement reposent sur un fort empirisme (Vortex Generator) ou sur des techniques d’optimisation dénuées de règles aérodynamiques (Contouring 3D). Ce travail se focalise sur une technologie de contrôle appelée « ailette », que l’on définit ici comme « un profil aérodynamique de forme a priori non conventionnelle fixé sur le moyeu ». Au travers des ailettes, les objectifs de cette thèse sont a) d’établir des bases de règles de conception de moyens de contrôle passif du décollement de coin, et b) d’identifier les mécanismes physiques participant à réduire le décollement de coin. Le travail de cette thèse repose sur le contrôle du décollement de coin dans une configuration simple (grille linéaire de stator basse vitesse) dont les conditions aérodynamiques sont minutieusement contrôlées. Dans un premier temps, une chaine numérique permettant l’évaluation par calculs Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) de formes d’ailettes variées est mise en place. Une paramétrisation intégrant des contraintes aérodynamiques est développée (15 paramètres). Compte tenu de la complexité des formes en jeu, une approche de maillage hybride (structuré-non structuré) est utilisée. Les limites de la modélisation RANS sont clairement identifiées, et la correction Quadrative Constitutive Relation (QCR) est utilisée pour améliorer cette modélisation. Cette chaine numérique est ensuite utilisée au sein d’un processus d’optimisation visant à réduire le décollement de coin dans des conditions nominale et proche instabilité. Compte tenu du coût numérique relativement élevé des simulations RANS, une méthode de raffinement itératif de métamodèle de Krigeage est effectuée. Grâce à cette méthode, deux espaces de conception sont explorés. Une base de données RANS d’ailettes efficaces est générée pour chacun, ainsi que des métamodèles (basse fidélité) de Krigeage prédisant l’influence des paramètres de dessin des ailettes sur les pertes de coin. L’analyse des résultats d’optimisation révèle l’existence de trois familles d’ailettes : a) Short Fence : ailette courte, raide, placée en amont du canal b) Long Fence : ailette longue, raide, couvrant tout le canal c) 3D : ailette longue, de forme pyramidale, placée en aval du canal. Ces familles sont principalement sensibles à 6 paramètres de dessin, et notamment à leur position axiale, hauteur et corde en pied. Une ailette représentative de chaque famille est testée expérimentalement. Pour chacune, le décollement de coin est fortement réduit, des conditions nominales jusqu’aux conditions proche instabilité. Les calculs RANS associés sont validés expérimentalement. Les mécanismes physiques bénéfiques mis en place par chacune sont analysés numériquement. Ces mécanismes répondent à deux objectifs : énergiser la couche limite au moyeu et limiter la sur-déflexion induite par l’écoulement de passage. Ce travail prouve le potentiel des ailettes dans une configuration académique. Pour aller plus loin, il sera nécessaire d’évaluer leur pertinence dans des conditions d’écoulement réaliste, notamment en termes de profil de couche limite incidente et de nombre de Mach. De simples résultats préliminaires sont proposés sur ces deux aspects, et sont encourageant quant à l’adaptabilité de cette technologie en contexte réaliste.