Prediction and mitigation of cavity instabilities resulting from fluid-structure interactions
Prédiction et mitigation des instabilités de cavités issues de l'interaction fluide-structure
Résumé
Complex unsteady phenomena within rotor/stator cavities of space turbopumps have gained notoriety because of their propensity to induce vibration issues that are clearly detrimental to the operation of the engine. This problem has indeed rendered the development and operation of rocket engines a formidable undertaking. These dynamics, referred to as ’pressure bands’, are a consequence of a self-sustained oscillatory motion of the working fluid, thereby engendering a coupling with the solid structure posing a paramount risk to the operation of the turbopump and the structural integrity of its components. Understanding and predicting the source of ’pressure bands’ in a multiphysics context is the primary objective of this thesis. For instance, this work provides a numerical and theoretical investigation of forced vibration problems in enclosed rotating flows as well as fluid-structure interaction problems with a focus on hydrodynamic and aeroelastic instabilities. Note that these flows are inherently three dimensional due to the presence of boundary layers on the impeller, stator and cylindrical shroud. Consequently, at high Reynolds numbers, the flow instability is manifested through coherent axisymmetric and/or spiral structures that can be affected by dynamic loads either generated by the rocket or the turbopump itself. Experiments have shown that axial cavity flows also exhibit a different type of instability that lead to a flutter-like phenomena of the rotor. Both problems are addressed in this work using Large Eddy Simulation, an unsteady CFD approach, in conjunction to multiple predictive numerical strategies. All tools show that the underlying dynamics of the flow can be retrieved contrarily to steady approaches like Reynolds Averaged Navier-Stokes Simulations (RANS) that failed in the past to predict such phenomena. Thanks to LES flow only prediction, the flow instability inside a reduced scale hydrogen turbopump is retrieved and has the potential of coupling with the rotor as well as the acoustics of the cavity. To address this problem, a structural mechanics code based on the finite element method is developed to perform modal analyses as well as elastodynamic calculations. Thanks to all these numerical tools, forced vibration problems are first investigated using a bluff body configuration where a ’lock-in’ phenomenon is identified whenever a vortex shedding frequency converges to the forced vibration frequency. This first content of this study is later extended to enclosed rotating cavity flows where the vibration of the rotor causes a shift in the hydrodynamic modes and in some cases, a total suppression of these modes. Following these flow only responses and to go further, the structural mechanics solver is further developed and coupled to the LES code thanks to a numerical coupling chain that allows to solve fully unsteady and fully coupled fluid-structure interaction problems. The adopted coupling strategy is first successfully validated through two test cases: a vibrating beam immersed in a still fluid demonstrating that the fluid viscosity dampens the structure motion and brings it back to its initial position, and a Vortex Induced Vibration (VIV) case where a Kármán vortex street sheds from a rigid square and causes large amplitude vibrations of an elastic plate. The coupled solver is then used to simulate the fluid-structure interaction between the rotor disk and working fluid of the turbopump. Results confirm the vibroacoustic coupling between the fluid, rotor disk and cavity obtained by experiments. This multiphysics simulation also allowed the calculation of the necessary amount of damping to stabilize such system demonstrating the capability of the developed coupling. To finish, a Global Linear Stability Analysis (GLSA) framework is detailed and performed to give more insight about the leading eigenmodes and their corresponding growth rate inside such systems.
Les phénomènes complexes et instationnaires au sein des cavités rotor/stator des turbopompes spatiales sont renommées en raison de leur capacité à engendrer des problèmes de vibrations ayant un impact dangereux sur le fonctionnement des moteurs. Ces dynamiques, couramment désignées sous le terme de "bandes de pression", résultent d’un mouvement oscillatoire du fluide, induisant un couplage avec la structure environnante, posant ainsi un risque significatif sur le fonctionnement de la turbopompe. L’objectif principal de cette thèse est de comprendre et de prédire numériquement l’origine de ces "bandes de pression" dans un contexte multiphysique. Dans cette optique, cette étude initie une investigation numérique et théorique des problèmes de vibrations forcées au sein d’une cavité académique, ainsi que des problèmes d’interaction fluide-structure, en mettant l’accent sur les instabilités hydrodynamiques et aéroélastiques. Ces écoulements se caractérisent intrinsèquement par leur tridimensionalité, principalement en raison de la présence de couches limites sur le rotor, le stator et le carénage de la cavité. En conséquence, l’instabilité se manifeste sous forme de structures cohérentes, à la fois axisymétriques et/ou sous formes de spirales, qui peuvent être influencées par des forces dynamiques générées soit par la fusée elle-même soit par la turbopompe. Des expériences ont démontré que les écoulements dans les cavités axiales des turbopompes présentent un autre type d’instabilité provoquant un phénomène de flottement du rotor. Ces deux problèmes sont abordés dans cette étude en utilisant une simulation des grandes échelles (SGE), une approche dynamique des fluides numériques instationnaire. Cet outil a en effet révélé que la dynamique sous-jacente de l’écoulement peut être retrouvée, contrairement aux approches stationnaires telles que les simulations de type Navier-Stokes moyennées de Reynolds (RANS). Grâce à cette prédiction, il est démontré que l’instabilité de l’écoulement à l’intérieur d’une turbopompe à hydrogène à échelle réduite est liée à des tourbillons qui présentent le potentiel de se coupler avec le rotor ainsi qu’avec l’acoustique de la cavité. Ce couplage tripartite entre le fluide, le rotor et la cavité est spécifiquement traité en développant un code de mécanique des structures permettant des analyses modales ainsi que des calculs élastodynamiques. Grâce à l’ensemble de ces outils numériques, des problèmes de vibrations forcées sont d’abord étudiés en utilisant une configuration simple comprenant une géométrie cylindrique. Ce premier volet de l’étude est ensuite étendu aux écoulements de cavité en rotation fermée, où la vibration du rotor provoque un décalage des modes hydrodynamiques et, dans certains cas, une suppression totale de ces modes. En réaction à ces réponses de l’écoulement seul, et pour aborder le context multiphysique, le solveur de mécanique des structures est couplé au code LES grâce à une chaîne de couplage numérique. Cette approche permet de résoudre des problèmes instationnaires et couplés fluide-structure. La stratégie de couplage adoptée est d’abord validée avec succès à l’aide de deux cas test: une poutre vibrante immergée dans un fluide immobile et un cas de vibration induite par les tourbillons (VIV). Le solveur couplé est ensuite utilisé pour simuler l’interaction fluide-structure entre le rotor et l’écoulement interne de la turbopompe. Les résultats confirment le couplage vibroacoustique entre le fluide, le disque du rotor et la cavité, tel qu’observé lors des expériences. Cette simulation multiphysique a également permis de calculer la quantité nécessaire d’amortissement pour stabiliser un tel système, démontrant ainsi l’efficacité du couplage développé. Enfin, un cadre d’analyse de stabilité linéaire globale (GLSA) est détaillé et mis en oeuvre pour fournir un aperçu des modes propres dominants et de leurs taux de croissance correspondants à l’intérieur de ces systèmes.
Origine : Version validée par le jury (STAR)