Cette thèse est menée dans le cadre d'une convention CIFRE entre Safran Technofan et le Département Aérodynamique, Énergétique et Propulsion (DAEP) de l'ISAE.
Les travaux sont motivés par la nécessité de trouver de nouvelles sources de puissance à bord des avions de ligne commerciaux, qui fait suite à l'augmentation continue du nombre d'équipements électriques embarqués. Une option envisagée consiste à valoriser la masse morte de ventilateurs de système d'air, dont l'utilisation n'est requise qu'au sol et qui fonctionnent en autorotation libre en vol. Ainsi, l'étude du fonctionnement éolien d'un ventilateur axial est engagée dans le but d'en déterminer le potentiel de récupération d'énergie. Cette situation est peu documentée dans la littérature qui se concentre principalement sur le cas de l'autorotation libre (puissance échangée négligeable). Ce fonctionnement, sévèrement hors adaptation, implique des incidences fortement négatives et des écoulements massivement décollés, ce qui induit une configuration d'écoulement particulièrement complexe.
Dans un premier temps, une description théorique des écoulements au sein des compresseurs axiaux est présentée. Elle permet de conceptualiser l'évolution de la topologie de l'écoulement lors d'un basculement progressif d'un fonctionnement de compresseur vers celui d'une turbine. Cinq modes intermédiaires sont identifiés grâce à cette approche analytique. Elle démontre également la coexistence de zones de fonctionnement compresseur et turbine sur une même pale, observée dans la littérature dans le cas de l'autorotation libre, mais peu commentée.
Dans un deuxième temps, cette vision simplifiée des écoulements d'autorotation est enrichie par une étude expérimentale. Une campagne d'essais globaux permet de délimiter le potentiel de récupération d'énergie et d'établir les champs caractéristiques de la machine dans un formalisme adapté aux deux modes de fonctionnement. Des essais locaux sont également mis en œuvre sur un nombre de points plus restreint.
Ces essais sont utilisés pour évaluer la prédictivité locale du code de calcul qui est mis en œuvre, dans un troisième temps, afin de mener l'étude numérique des écoulements d'autorotation. L'analyse se concentre sur la structure de l'écoulement au sein du rotor et repose sur des simulations stationnaires RANS avec plan de mélange. En particulier, les mécanismes de détérioration de performance, liés à la présence de décollements massifs et au fonctionnement dual de la pale, seront abordés.
Sur la base des analyses précédentes, des recommandations pour la conception de machines duales sont proposées. Des méthodes de prédiction des performances d'autorotation sont également présentées et évaluées.
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This work is conducted as part of a CIFRE partnership between Safran Technofan and the Département Aérodynamique, Énergétique et Propulsion of ISAE. Onboard power generation has recently become a crucial issue with the increasing energy needs of more electric aircrafts. The study focuses on load-controlled windmilling operation of axial flow cooling fans and aims at defining their potential of power recovery. This mode of operation still needs to be investigated since literature mostly addresses the free-windmilling issue. Such an off-design operation which involves highly negative incidences and massively separated flows, needs to be understood in details.
First, a theoretical description of the flows within a typical axial cooling fan is presented. It gives the generic evolutions of the local flow topology occurring in axial geometries operated in a mixed fashion (compressor or turbine). Five intermediate operating modes are identified through this analytical approach. Some of them imply the radial coexistence of compressor-like and turbine-like operations, observed in the literature dedicated to free windmilling, but hardly commented.
Secondly, this simplified view of windmilling flows is completed by an experimental campaign. Global tests are performed to delineate the potential of energy recovery and establish characteristic maps of the machine. Local tests are also carried out on a smaller number of operating points.
Thirdly, the numerical study of windmilling flows is presented. Local predictivity of numerical simulations is evaluated from experimental radial distributions. The analysis focuses on flow patterns within the rotor and is based on RANS mixing plane steady simulations. The performance deteriorations caused by massive separation or dual distribution of work exchange along the blade, will be analysed.
Finally, design recommendations are made for dual functioning machines which must be efficient in both compressor and turbine modes. Windmilling performance prediction methods are also described and evaluated at the end of this study. |