Aurélien Bienner

Les cycles de Rankine organique (ORC) apparaissent comme l'une des solutions pour répondre aux défis énergétiques et environnementaux actuels, en raison de leur important potentiel énergétique. L'un des composants clés des ORC est le détendeur, généralement une turbine. Pour les petits systèmes, cette dernière fonctionne dans les régimes transsoniques à supersoniques et peut être influencée par les propriétés de la vapeur organique utilisée, présentant ainsi des effets non idéaux. Dans cette étude, nous examinons les transitions de couche limite (CL) et le mécanisme des pertes au sein des turbines dans des conditions représentatives des ORC pour le fluide Novec649. Nous débutons par la présentation des premières simulations numériques directes (DNS) et des simulations à grandes échelles (LES) de CL transitionnant et turbulentes de Novec dans des conditions subsoniques élevées. Dans l'état turbulent, les profils des propriétés dynamiques de l'écoulement sont peu affectés par les propriétés du gaz et demeurent très proches de la DNS incompressible, malgré la vitesse élevée de l'écoulement subsonique, même si de véritables mais très faibles effets de compressibilité sont présents. Notre stratégie LES est validée par rapport à la DNS et est utilisée pour étudier l'influence de la fréquence et de l'amplitude du forçage sur l'état turbulent établi. Ensuite, pour la première fois, nous étudions, par LES, la transition induite par la turbulence extérieure (FST) de CL de gaz dense sur des plaques planes et autour du bord d'attaque d'une turbine. En raison du nombre de Reynolds élevé, les fines CL interagissent avec de larges structures turbulentes qui peuvent, pour des intensités relativement élevées, favoriser un mécanisme de transition non linéaire au lieu du mécanisme classique de transition par stries laminaires. Comparées au Novec, les CL d'air se révèlent légèrement plus instables mais conservent globalement des caractéristiques similaires, notamment en ce qui concerne les mécanismes de transition observés. Enfin, l'écoulement autour d'une configuration idéalisée d'aube est abordé au moyen de simulations DDES (Delayed Detached-Eddy Simulations), permettant une analyse fine des phénomènes instationnaires. À mesure que la non-idéalité de l'écoulement augmente, le rapport de pression diminue et les pertes augmentent. Comparativement à l'air, la capacité thermique élevée du Novec réduit les fluctuations de température, éliminant ainsi le phénomène dit de séparation d'énergie, tout en accentuant les fluctuations de pression dans le sillage. En comparaison avec les DDES, les simulations RANS conduisent à une sous-estimation des pertes d'environ 20%.

This article presents a combined numerical and experimental study of the high-subsonic organic vapor flow in a linear turbine cascade. The profile geometry is the well-documented LS59 highly loaded rotor blade and the working fluid is Novec649, a dense gas used in organic Rankine cycles. Large eddy simulations are carried out with and without the roughness introduced by the additive manufacturing process. The results for the rough blade are in fair agreement with experiments, while the smooth surface induces a change in the vortex shedding regime. A detached shedding, characterized by a long recirculation downstream of the trailing edge and a base pressure plateau, is obtained in the experiments and by discretizing the roughness in the simulation. By contrast, a transonic vortex shedding is established when the surface is smooth: intense vortices roll up immediately after the trailing edge, yielding a short bubble and a lattice of shock waves. A strong pressure drop is observed at the trailing edge, resulting in high profile losses. In both cases, the boundary layer is turbulent ahead of the separation, but its thickness is significantly greater in the rough configuration, which may be the reason for the change of regime.