Unsteady dynamics of corner separation in a linear compressor cascade
Dynamiques instationnaires du décollement de coin dans une grille d’aube de compresseur
Résumé
The present work focuses on the study of the corner separation phenomenon in compressors carried out by experimental investigations on a subsonic linear cascade test rig (Re=3.8x105, M=0.12, blade profile NACA 65-009). Usually, this particular three-dimensional separation takes place in the corner between the blade and the endwall of compressor rows, mostly at hub, both in stators and rotors.Its main features are high total pressure losses and blockage of the flow, with consequent impacts on the efficiency. Whereas time averaged characteristics are well known from the past, only recent advanced experimental studies and improvements of numerical simulations, such as URANS and LES, have permitted to uncover the highly unsteady behavior of corner separation in compressors. Precedent studies on the same test rig have reported an intermittent unsteady behavior of corner separation, called bimodal behavior. In the present thesis it is shown that the bimodal behavior corresponds to two specific states of the flow: a closed separation, almost suppressed, and an open separation characterized by massive blockage and losses. Clearly hub-separation bimodal switches appearing in a real machine could have a first order detrimental effect on the stability of the flow in the compressor. By using high speed PIV coupled with unsteady pressure measurements on the surface of the blade the flow in a single blade passage has been investigated for different incidences. The PIV measurements provide, for the first time, time-resolved flow visualizations of the size switch of the separation with an extended field of view covering the entire blade section. The interaction of random large structures of the incoming boundary layer with the blade is found to be a predominant element that destabilizes the separation boundary and enlarges the recirculation region. Such a massive separation persists until the blockage in the passage causes the breakdown of the largest structures in the aft part of the blade, reestablishing the closed separation state. Such dynamics coincide with the aperiodic intermittent flow regime of diffusers, called transitory stall regime, and the associated Fourier spectra show the largest energy amplitudes in the low frequency range. Conditional ensemble averages of pressure and proper orthogonal decomposition (POD) of velocity fields have been applied to show the feedback effect of the blockage of the separation on the flow angle around the blade leading edge. These results draw the picture of a self-sustained instability caused by the diffusion imposed by the inter-blade passage. To answer the question about the interaction between adjacent corner separations, time-resolved total pressure measurements have been carried out by using high frequency response sensors positioned in bimodal points of multiple passages. The coherent propagation velocity and the linearity of the phase angle found between the signals confirm that the unsteadiness of the separation can propagate in pitch-wise direction. It is interesting to underline that equivalent elements characterize rotating disturbances appearing in annular test rigs. This finally shows that, even in an isolated stator blade row, the intrinsic unsteadiness of corner separation can start the propagation of instabilities. It is the first time that such a propagation effect is observed in a linear compressor cascade.
Le présent travail concerne l'étude du décollement de coin de compresseurs par des investigations expérimentaux sur le banc d'essai subsonique grille d'aubes situé au LMFA (Re = 3.8 x 105, M = 0,12, profil NACA 65-009). Habituellement, cette particulière séparation tridimensionnelle a lieu dans le coin entre l'aubage et la paroi du moyeu des rangées d'aubes, également dans les stators et les rotors.Les performances de l’étage sont ainsi dégradées à cause des pertes de charge et du blocage conséquent à la séparation de l’écoulement. Bien que les caractéristiques stationnaires sont bien connues par la littérature, uniquement des récentes études expérimentales avancées combinées aux améliorations de simulations numériques, telles que URANS et LES, ont permis de découvrir le comportement très instable du décollement de coin. Des études préalables sur le même banc d'essai ont rapporté un comportement intermittent du décollement, appelé comportement bimodal. Dans la présente thèse de doctorat, il est montré que le comportement bimodal correspond à deux états spécifiques du champ fluide: une séparation fermée, presque supprimée, et une séparation ouverte caractérisée par un blocage massif. Il est clair que cette commutation bimodale du décollement de coin apparaissant dans une machine réelle pourrait avoir un impact fortement déstabilisant. En utilisant la méthode de mesure PIV haute vitesse couplée à des mesures de pression résolues en temps sur la surface de l'aubage, l'écoulement d'un canal inter-aube a été étudié pour deux différentes incidences. Les mesures PIV fournissent pour la première fois des visualisations résolues en temps et étendues à toute la section de l'aubage de la variation bimodale du décollement. L'interaction des grandes structures aléatoires de la couche limite à l'amont avec le bord d'attaque de l'aubage déstabilise le front du décollement et agrandit la région de recirculation. Une séparation ainsi massive persiste jusqu'à ce que le blocage dans le canal inter-aube provoque la rupture des plus grandes structures constituant la zone de recirculation. Successivement le débit recommence à accélérer et la séparation est presque supprimée. Cette dynamique coïncide avec le régime d'écoulement hautement instationnaire et apériodique des diffuseurs, appelé large transitory stall, caractérisé par des grandes amplitudes d'énergie dans la gamme des basses fréquences du spectre. Des moyennes conditionnelles de pression et la décomposition orthogonale modale (POD) des champs de vitesse ont été appliquées pour montrer l'effet rétroactif du blocage induit par la séparation ouverte sur l'angle local au bord d'attaque. Ces résultats supportent l’hypothèse d'une instabilité auto-entretenue causée par la diffusion imposée dans le stator. En fin, des mesures de pression totale résolues en temps ont été effectuées en utilisant des capteurs à haute réponse en fréquence, situés à la même position dans les différents canaux adjacents. La cohérence et la linéarité de l'angle de phase trouvée entre les capteurs confirment que l'instabilité du décollement peut se propager d'un canal a l'autre, en analogie avec les perturbations tournantes (rotating instabilities) apparaissant dans les bancs d'essai annulaires. Ceci montre pour la première fois que, même dans une grille d'aubes linéaire de compresseur, l'instabilité intrinsèque du décollement de coin peut déclencher la propagation d'instabilités.
Origine : Version validée par le jury (STAR)