modèle de turbine et conditions limites

[dragoule]

Bonjour,

Je m’attache à apprendre à simuler le comportement d’une turbine. Ayant accés à SW et a son module flow works.
Je travaille depuis un bout de temps à la modélisation de la turbine axiale de petite dimension (cette partie seulement sans le compresseur) d’un turbo-reacteur d’avion de modélisme, celle de Kurt Schreckling. Je suis parti sur cette turbine car c’est le seul existant sur lequel je possède des données.

J’ai dans un 1er temps fait une analyse mono-dimensionnelle.
Dans un 2e temps j’ai essayé de créer un modèle sous flow simulation.

L’idée était donc de créer un modèle sous flow simulation. Appliquer les conditions génératrices (sortie chambre de combustion, To1, Po1), préciser le régime de la turbine 75000 tr/min, et espérer obtenir la puissance et le couple sur l’arbre. Puis comparer les résultats de la simulation avec le modèle mono-dimensionnel.

Les 1ers résultats que j’ai obtenus m’ont paru insatisfaisants. Or ce sont les meilleurs résultats que j’ai pu obtenir. J’ai fait par la suite d’innombrables essais, et je n’ai pas pu obtenir de nouveau ces résultats. Partant avec les mêmes conditions limites, les calculs divergent rapidement sans donner de solution.
J’ai ensuite essayé d’étudier séparément distributeur et roue. Le modèle du distributeur m’a semblé assez satisfaisant. Ce qui n’a pas été le cas du modèle de la roue.

Je finis par ne plus savoir comment m’y prendre car je ne trouve plus de cohérence dans les multiples essais que j’ai faits .D’autant plus que les calculs peuvent être très long jusqu’à plus de 10h.

Serait-il possible d’être orienté par quelqu’un qui aurait un peu d’expérience dans ce type de calcul et qui pourrait notamment valider les conditions limites ?
Vous trouverez les éléments du dossier dans la suite.

Merci d'avance.
Cordialement.
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[dragoule]

Je commence donc par rappeler les données de départ :
Le livre fixe à partir d’un calcul d’avant projet :
qm =0.115 kg/s et vitesse de sortie V3 = 160 m/s nécessaires pour obtenir la poussée 20N.
75 000 tr/min et Rmoy = 26.5 mm => U=208 m/s
Une turbine à reaction a été choisie avec un degré de réaction epsylon=0.5 Tmax = 875 K
des experiences ont fixées alpha2 = 37° à partir de là beta2 = 0° alpha3 = 0° beta3 = 37°
mes hypothèses gaz parfait avec : gamma = 1.33 and Cp = 1147 J/(kg.K)
détente supposée isentropique avec eta s = 0.85 pour distributeur and 0.85 pour la roue
1 -> entrée 2-> entre distributeur et roue 3-> sortie de roue
Les calculs ont donné : Po1 = 1,5 bar Po2 = Po3 = 1.21 bar
To1=873 K To2=873 K To3 = 835 K
T1=862 K T2 = 843.5K T3 = 824,3 K
T2’ = 842.5 K
P1 = 1.43 bar P2 = 1.3 bar P3 = 1.149 bar
Rhô1 = 0.578 kg/m3 rhô2 = 0,537 kg/m3 rhô3 = 0,486 kg/m3
V1=156,7 m/s V2 = 260 m/s V3 = 156,7 m/s
W2 = 156,7 m/s W3 = 260 m/s
S1 = 1.27e-3m2 S2 = 1.36e-3m2 S3 = 1.51e-3m2

[dragoule]

Modèle flow sim

Le modèle reprend le profil des aubes données dans le livre de Schreckling au rayon moyen. Je n’ai pour l’instant pas fait varier le profil avec le rayon. Les difficultés que je rencontre se situent ailleurs.
J’ai selectionné : internal analysis, steady flow( ou unsteady avec durée 0.001s et pas 0.00001s) , global rotation frame = 7850 rad/s, fluid = air, laminare and turbulent, mesh level = 4
Conditions limites :entrée Po1=150000 Pa, T1 = 875 K (j’aurais dû prendre 862K)
Sortie debit masse 0.115 kg/s
Partie fixe : Stator sur les parties fixes de la turbine
Je vous mets en fichier joint les résultats qui me semblent décevants.
- Les résultats doivent converger hors ils ne convergent pas complètement
- Le debit massique est acceptable
- La figure présentant la temperature totale n’est pas cohérente. Je suppose que devraient apparaître 2 zones avec une frontière au niveau des aubes mobiles.
- La température du gaz ne baisse pas suffisamment.
- Le couple sur l’arbre est de seulement 0.01Nm ce qui donne une puissance de 78 W.
Or j’avais évalué à la main (donc sous réserve d’erreur) une puissance sur l’arbre de 5000 W ce qui donnerai un couple de 0.6 N.m (je rappelle qu’elle entraîne le compresseur).

[dragoule]

Suivent encore quelques résultats vitesses, vitesses relatives et température.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Tonton_Velu]

Salut Dragoule,

Il y a malheureusement pas mal de soucis dans cette étude. Mais on va voir ça ensemble.

Personnellement, je n'aime pas du tout le système de rotation globale en étude interne (j'utilise cette option seulement pour les externes). Essai de faire un région de rotation locale avec une nouvelle pièce (ou corps volumique) de révolution ! sinon ça marchera pas.

Ensuite une chose qu'il faut savoir pour avoir de bon résultats avec des régions tournantes c'est qu'il faut que le fluide à l'entrée et à la sortie soit axisymétrique (symétrique autour q'un axe) chose qui est assez délicate à obtenir suivant les cas (on voit que ce n'est pas le cas dans ton cut plot de vitesse).

Aussi je vois que tu n'as mis que des "surfaces goals" essaye de rajouter quelques "globals goals" (vitesse moy, T° moy, Pressure...) faut pas hésiter à en mettre plusieurs.

Ensuite au niveau des conditions aux limites il y a aussi un petit soucis je pense. Vu que c'est la rotation de ta turbine qui va faire la vitesse du fluide, il ne faut pas mettre de débit en sortie mais plutôt une pression environnementale sinon c'est comme si ton fluide était "aspiré" à l’extérieur alors qu'il doit être "poussé" par la turbine.

Enfin la dernière des choses à faire sera d’obtenir un bon maillage mais ça on verra plus tard


Bref ce que je te conseille de faire c'est de modifier un peu ton 3d, rajouter un bout de ce qu'il y a autour du système (tube d’admission ect...), de rajouter une pièce de révolution pour faire une région tournante locale, et de boucher tout ça avec l'outil bouchon.


Essai de faire ça et repost une image que je vois ça.

PS : tu es sous quelle version de SW ?

[dragoule]

SAlut Tonton Velu,

Je suis content d'avoir reçu une réponse. En postant mon message, je n'étais pas du tout certain d'en recevoir une...
Je te remercie de te pencher sur mon cas. Tu as l'air de savoir comment faire en tout cas. Est-ce que tu pourrais dire à quelle occasion tu as contruit des modèles flow simulation?

Comme tu l'as demandé, J'ai modifié la maquette de la turbine pour introduire une zone de rotation globale, tube d'admission, de sortie et les bouchons. voir fichiers joints. (la zone rotation peut elle toucher le rotor?)

Je voudrais apporter une précision qui sera importante pour les conditions limites. la turbine détend le gaz chaud pour récupérer une puissance mécanique sur l'arbre. entrée P=1.43 bar, T=862 K sortie P<1.43 bar et T<862 K.
C'est la raison pour la quelle je voulais appliquer les pressions totales et températures totales en entrée et le débit massique en sortie.

Quel est l'intérêt de mettre des global goals?

Pour la version SW, je suis sur SW2010.

[Tonton_Velu]

Oula des modèles de flow j'ai ai fais pas mal principalement des hélices de sous marins et des engins de forage (en fait j'étais formateur SW spé calcul et notamment flowsim).

Alors pour ta zone de rotation 2 choses :

- Raccourcis la un peu pour qu'elle ne touche pas la bouchon (pas sur qu'on puisse mettre une condition aux limites dans une zone tournante)
- Fais la traverser ton tube (un peu comme les bouchons qui sont "a cheval"). Si tu la met colinéaire (comme le segment le plus haut de ton esquisse image 3) ça va causer des soucis au niveau du maillage. (en fait il va voir cette interface tube/région tournante comme un canal très étroit et il voudra mailler super fin et on va perdre beaucoup de temps de calcul pour rien).

Et faudra pas oublier une choses : tout ce qui a dans ta région tournante tourne ! Or ce n'est pas le cas du tube (et peu être d'autres pièces de ta turbine) il faut donc rajouter une condition de parois "stator" avec les conditions aux limites.

Pour ce qui est de tes conditions aux limites, pour un 1er essai (histoire de valider le 3d avent de faire des calculs plus précis) ça devrait le faire mais je suis pas convaincu (faudra que je me penche la dessus).



Les global goal c'est super important. En fait les goal c'est ce qui va te servir comme indicateur pour savoir quand il faut finir le calcul (ce sont ces objectif la qui vont être pris en compte pour la convergence).
Rajouter un GG (global goal) de vitesse moy ça voudra dire que, partout dans mon model, j'ai une bonne approximation de la vitesse en tout point (et pas seulement sur une surface). Ça permet de ne pas passer à coté des choses important comme par exemple la cavitation, si on a pas un GG de densité mini on ne la verra peu être pas (mais bon ce n'est pas le cas ici ).
Pour les GG, vitesse moy, pression moy, et T° max et min devrait suffire (attention a ne pas mettre un GG vitesse max j'ai eu de mauvaise surprise avec ça : un tout petit trou dans mon model qui me faisait une vitesse infinie :/ )


Essai de lancer un calcul comme ça et tire moi des cut plot de :

Vitesse, pression, et T°. et aussi les cut plot perpendiculaire avent et après les extrémités de la zone de rotation pour voir si ça va bien.


Ps : simple curiosité je vois que t'as une version étudiante c'est pour un projet d'école ?

[dragoule]

Ça pourrait peut-être être pour un projet d’école. Je suis prof en lycée. C’est sûr que je ne fais pas des hélices de sous-marins... Je ne suis pas spécialement enthousiasmé par ce qu’on fait. Quand on voit de l’intérieur comment se passe le bac par exemple...ça ressemble à du plan quinqennal. Alors je vais essayer de me pencher sur des choses qui m’intéressent pour peut-être les réexploiter ensuite…
Les turbines m’ont toujours intéressé. J’avais essayé de travailler dans les turbines, sans succès. Alors comme j’ai accès à flow simulation, qui devrait être capable de les simuler, j’ai accès à la doc technique d’un existant, je me suis lancé.
Si je vois que j’arrive à des résultats concordants (calcul main et flow) sur un existant, alors je pourrai peut-être me lancer dans un projet d’une turbine pour détendre de l’air comprimé. Mais bon il y a encore du boulot, pleins de choses à comprendre comme la définition de la forme des aubes par exemple. Et puis ça me semble être un bon exercice pour apprendre à utiliser flow. On doit pouvoir faire pas mal de choses avec flow…
J’ai mis un peu de temps à répondre car il y avait pas mal de travail. Mes 1eres tentatives, malgré un temps de calcul très long, ont divergé. J’ai donc dû apprendre quelques rudiments pour alléger le maillage.
J’ai suivi tes conseils concernant la zone de rotation, les GG. J’ai lancé un calcul avec les CL suivantes : entrée débit masse, sortie P totale et j’ai obtenu un résultat qui commence à ressembler à quelque chose.
On voit une discontinuité au niveau de la zone rotation. J’ai mis les cuts plot demandés en fichier joints. Qu’en penses-tu ?