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Article Dans Une Revue Journal of Turbomachinery Année : 2022

Zonal Detached Eddy Simulation of the Fan-Outlet Guide Vanes Stage of a Turbofan Engine: Part I—Methodology, Numerical Setup, and Aerodynamic Analysis

ZDES d'un étage soufflante-redresseur d'un turboréacteur: Partie I - Méthodologie et Analyse aérodynamique

Résumé

This article deals with the zonal detached eddy simulation of the fan module of a modern turbofan engine for the prediction of the broadband noise due to the interaction of the fan turbulent wakes with the stationary outlet guide vanes. The simulation relies on a hybrid RANS/LES approach with a zonal strategy: the core airflow is treated in RANS, while the bypass airflow is solved with the hybrid approach. The simulation was performed during four revolutions, and statistical convergence was reached. Inspections of the flowfields highlight a consistent behavior of the shielding function (border between RANS and LES solving areas) around the blade walls and at the trailing edge for a such complex flow. The fan module was tested in the AneCom facility in which hot wire measurements were made in-between the fan and the outlet guide vanes. The numerical results are compared to this large dataset of measurements. The flow maps are well retrieved by the simulation for both the time-averaged and the turbulent quantities. Comparison of radial profiles shows an excellent agreement for the three root-mean-square (RMS) components of the velocities between zonal detached eddy simulation (ZDES) and the measurements, particularly in the tip gap flow area, in which RANS results do not reproduce correctly the flow quantities. The wake shape, a key feature in the mechanism of generation of rotor–stator interaction noise), is quite well predicted by the ZDES simulation. These numerical results demonstrate the maturity of the approach for the simulation of complex turbomachinery flows.
Cet article traite de la méthode ZDES (Zonal Detached Eddy Simulation) sur la soufflante d'un turboréacteur moderne pour la prévision du bruit large-bande causé par l'interaction du sillage turbulent de la soufflante avec les redresseurs situés en aval. La simulation aérodynamique repose sur une méthode hybride RANS/LES utilisant une approche zonale : le flux d'air primaire est traité exclusivement en URANS tandis que le flux d'air secondaire est résolu par l'approche hybride. La simulation numérique est réalisé su quatre révolutions et la convergence statistique est atteinte. L'examen des champs aérodynamiques montre un comportement sain de la fonction de protection (frontière entre les zones RANS et LES) autour des aubages et près des bords de fuite pour cet écoulement complexe. L'ensemble soufflante-redresseur a été testé sur le banc d'essais d'Anecom dans lequel des mesures fils chauds ont été réalisés entre la soufflante et le redresseur. Les résultats numériques ont été comparés à la base de données expérimentales. Les cartographies d'écoulement sont correctement retrouvées par la simulation numérique sur les grandeurs moyennées en temps et sur les grandeurs turbulentes. Les comparisons de profils radiaux de grandeurs aérodynamiques montrent un bon accord sur les trois composantes de la vitesse RMS (Root Mean Square) entre la ZDES et les mesures, en particulier dans l'écoulement de jeu. Dans cette zone, les modèles RANS échouent à reproduire fidèlement l'écoulement observé en essais. La forme du sillage, un paramètre clé dans le mécanisme de génération du bruit d'interaction, est aussi assez bien reproduit par la ZDES. Ces résultats numériques obtenus avec la ZDES montrent une grande maturité de cette approche hybride RANS/LES pour la simulation aérodynamique d'écoulements complexes de turbomachines.
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Citer

Benjamin François, Cyril Polacsek, Raphaël Barrier. Zonal Detached Eddy Simulation of the Fan-Outlet Guide Vanes Stage of a Turbofan Engine: Part I—Methodology, Numerical Setup, and Aerodynamic Analysis. Journal of Turbomachinery, 2022, 144 (11), ⟨10.1115/1.4054528⟩. ⟨hal-03927811⟩
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