3D effects on flutter prediction in aeronautic compressor

The flutter corresponds to an aerodynamic loading which amplifies the natural vibration of the structure.This fluid-structure interaction can lead to the failure of compressor blades. In the design stage, thedetection of flutter is estimated in a 2D radial plan (a blade to blade cut, near the shroud). The studies on modern designs point to some disparity between these predictions and experimental test. In this paper, 3D and 2D simulations have been conducted on the rotor of a modern design of high pressure axial compressor to investigate the limitations of the 2D approach.To solve the steady flow, the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) simulations with k-ω turbulence model has been performed with elsA solver. The blade motion corresponding to the first torsion mode attwo nodal diameters has been imposed on the blade. Then, the flow fluctuations have been determined by the time-linearized RANS solver Turb’lin.Depending on the operating condition, regressive pressure waves from the trailing edge can travel up to the shock wave. Approaching the shock wave, pressure wave amplitudes increase and induce important pressure fluctuations. In the 3D calculation pressure waves can escape in radial direction. The pressure wave radial deviation cannot be captured with a 2D calculation and has an impact on the work exchange.
Le flottement correspond à un chargement aérodynamique qui amplifie les modes propres de la structure. Cette interaction entre le fluide et la structure peut mener à la destruction des aubages du compresseur. Lors des premières phases de conception d'un compresseur, le déclenchement du flottement est estimé dans un plan 2D (coupe aube à aube, proche du carter). Sur des géométries modernes, plusieurs études montrent une différence entre cette prédiction et les essais expérimentaux. Dans cet article, des simulations numériques 2D et 3D ont été effectuées sur la roue d'une géométrie moderne de compresseur axial pour évaluer les limites de l'approche 2D. Le logiciel elsA a été utilisé pour obtenir le champ stationnaire à partir d'une simulation RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) avec un modèle de turbulence k-ω. Le mouvement imposé à l'aube correspond au premier mode de torsion avec deux diamètres nodaux. Par la suite, les fluctuations de l'écoulement ont été déterminées en utilisant le solveur RANS linearisé en temps Turb'lin. Selon les conditions d'opération, les ondes de pression régressives provenant du bord de fuite peuvent remonter l'écoulement jusqu'à l'onde de choc. En se rapprochant de l'onde de choc, l'amplitude des ondes de pression augmente et induit d'importantes fluctuations de pression. Dans un calcul 3D, les ondes de pression peuvent s'échapper dans la direction radiale. Cette déviation radiale ne peut par contre pas être capturée avec un calcul 2D et cela modifie l'échange de travail.