Validation d'un modèle unidimensionnel pour l'étude d'un écoulement instationnaire dans une turbine

In order to maximize the turbine performance and efficiency in an unsteady flow, it is essential to be able to understand and predict the unsteady wave propagation and its effect on the turbine. To this end, a model based on gas dynamics is used to simulate the unsteady and compressible flow inherent to the engine under review. The conservation laws for a one-dimensional, inviscid flow are solved using a modern secondorder, shock-capturing, finite difference scheme. The pressure wave propagation is simulated in a duct with area variation, wall friction, as well as heat transfer effects. Boundary conditions are incorporated into the code to mimic the interactions at the pipe ends. Numerical results are compared against experimental data measured inside a manifold equipped with two nozzles. This validation shows satisfactory prediction of the pressure wave propagation for various pulse frequencies and nozzle ratios. Among the boundary conditions, one boundary is developed to calculate the flow properties through a turbine and to predict its performance. The turbine is treated with a quasistationary model. Validation against experimental data shows significant errors in the mass flow and power estimated by this model. These inaccuracies are caused primarily by the simplifications used in the model to simulate complex phenomena and the lack of high frequency instrumentation in order to accurately estimate the turbine inlet conditions.

Résumé

Afin d'optimiser les performances et le rendement d'une turbine soumise à un écoulement instationnaire, il est essentiel de comprendre et de pouvoir prédire la propagation des ondes de perturbation et leurs effets sur la turbine. Pour ce faire, un modèle basé sur la dynamique des gaz est utilisé afin de simuler l'écoulement instationnaire et compressible intrinsèque au groupe moteur à l'étude. Les équations de conservation pour un écoulement unidimensionnel et non-visqueux sont résolues à l'aide d'une méthode numérique d'ordre 2 basée sur les techniques par différences finies. Ce modèle permet de résoudre la propagation d'ondes dans une conduite avec des variations d'aire de section, de la friction et du transfert de chaleur à la paroi. Des conditions aux frontières sont intégrées au modèle afin de simuler les interactions aux extrémités du domaine. Les résultats du modèle sont comparés aux données expérimentales obtenues avec une conduite munie de deux plaques à orifice. Cette validation montre une représentation satisfaisante de la propagation de l'onde de pression dans la conduite pour différentes fréquences d'écoulement et différentes grosseurs d'orifice. Parmi les conditions aux frontières, une frontière est développée afin de calculer les propriétés de l'écoulement à travers une turbine et de prédire ces performances. La turbine est traitée à l'aide d'un modèle quasi-stationnaire. Une validation avec des données expérimentales montre des erreurs significatives dans l'estimation du débit massique et de la puissance prédites par le modèle. Ces erreurs sont induites principalement par les erreurs de modélisation dues aux simplifications des phénomènes réels et le manque d'instrumentation à haute fréquence afin de simuler fidèlement les conditions à l'entrée de la turbine.