Etude de l`interaction roue-diffuseur dans une pompe

Conclusion et perspectives
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Conclusion et Perspectives
Durant cette étude, des campagnes de mesure par anémomètre laser à effet Doppler (ALD)
ont été effectuées dans la roue et dans le diffuseur aubé d’une pompe centrifuge équipée
d’une roue SHF au LMFA INSA-Lyon. Les résultats obtenus ont été comparés à ceux déduits
de la modélisation numérique de l’écoulement instationnaire par un code de calcul
commercial (CFX-TASCflow).
Les sondages réalisés en fonction de la position angulaire de la roue et sur un pas du
diffuseur ont permis d'étudier l'interaction instationnaire des deux rangées d'aubes en
mouvement relatif. L'analyse et l'interprétation de ces mesures ont été facilitées par la
programmation et la création d'animations qui reconstituent l'évolution temporelle et spatiale
du champ de vitesse à différents débits.
L'étude a permis de déterminer l'effet de la proximité du diffuseur aubé sur l’écoulement
dans la roue pour différentes conditions de fonctionnement. Dans le cas de cette pompe, les
résultats indiquent clairement l'existence d'une interaction roue- diffuseur.
Dans la roue, au débit nominal, l'analyse de la vitesse relative au rayon R* = 0.818 montre
la présence d’une structure jet-sillage observée pour l’ensemble des positions de mesure. La
présence du diffuseur aubé en aval de la roue mobile n’a aucune influence sur l’existence de
cette structure de l’écoulement relatif. Les résultats montrent que la frontière entre les deux
structures (jet et sillage) n’est pas fixe par rapport au canal inter-aube. Elle se déplace dans la
direction de
θ * et de Z* ; elle est influencée par la présence du diffuseur. Le déplacement de
la frontière dans la direction axiale peut révéler l’existence d’une composante axiale de la
vitesse, dirigée vers la ceinture. Cette composante est plus importante dans les positions de
mesure proches du bord d’attaque du diffuseur. L’écoulement au débit nominal et au rayon
R* = 0.818 est tridimensionnel en présence d’un diffuseur aubé.
L’analyse du champ de vitesse radiale, conduit à la conclusion qu’il existe des pulsations
locales de débit rattachées à la présence du diffuseur. Elles sont plus prononcées au voisinage
de la ceinture et s’estompent dans la direction du plafond. Cette instationnarité de la vitesse
radiale n’est pas accompagnée d’une modification du travail fourni par la roue ; en effet, les

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variations de la composante tangentielle Cu de la vitesse restent limitées. La vitesse
tangentielle est quasi indépendante de la présence du diffuseur.
En avançant en direction de la sortie de la roue, dans le jet, l’écoulement commence à
s’écarter du modèle potentiel observé précédemment. Pour la vitesse tangentielle, l’influence
du diffuseur aubé se manifeste plus particulièrement à la frontière entre le jet et le sillage,
c’est à dire, dans les zones marquées par d’importants gradients de vitesse. En ce qui
concerne la vitesse radiale, c’est l’ensemble du passage de la roue qui est touché. Mais, cette
influence est plus prononcée vers le côté en dépression qui est également caractérisé par une
importante variation de l’angle de l’écoulement dans la direction axiale.
A l’approche du bord de fuite, les traces de l’interaction roue-diffuseur se retrouvent
aussi dans l’évolution de l’écoulement relatif dont l’analyse conduit essentiellement à
deux constatations. La première concerne la vitesse relative dans le jet qui évolue
progressivement pendant la rotation du canal par rapport au diffuseur. Il apparaît une
accélération de l’écoulement à l’approche du bord d’attaque du diffuseur qui s’estampe
graduellement en direction du milieu du pas suivant du diffuseur. La seconde, concerne
la vitesse relative dans le sillage marqué par de forts gradients de vitesse. La vitesse
minimale enregistrée au cœur du sillage subit une importante variation liée à la présence
du diffuseur ; avec une valeur minimale enregistrée pour la position VII ( γ =36°) et une
valeur maximale enregistrée pour la position III ( γ = 10°).
Toutefois, il faut signaler un comportement singulier en deux positions de mesures.
Dans la première (position III), le bord d’attaque du diffuseur se trouve sur le chemin de
l’écoulement relatif quittant la roue. En conséquence, l’écoulement est désorganisé, le
sillage est diffusé vers le côté en pression et son cœur localisé sur le côté en dépression
est plus difficile à distinguer. Ces observations rejoignent celles qui ont été reportées
pour R* = 0.818 et R* = 0.909. Il s’agit bien alors d’une remontée à l’intérieur de la roue de
l’influence du diffuseur aubé.
Pour la deuxième (position VIII) et à R* = 1, la position d’observation ( γ = 43°) est assez
proche du prolongement géométrique de l’aube du diffuseur ( γ = 49°). Une interaction
potentielle des deux rangées d’aubes est à l’origine d’une augmentation de la vitesse radiale
sur le côté en dépression de la roue, tandis qu’elle reste sans conséquence sur la vitesse
tangentielle. Il en résulte un changement de la direction de l’écoulement qui correspond à un

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angle α plus important. L’écoulement absolu entame le contournement du bord d’attaque du
diffuseur.
L’analyse des fluctuations de la vitesse montre qu’elles ont deux origines distinctes : la
première est liée au mouvement relatif des deux rangées d’aubes alors que la seconde,
indépendante de la proximité du diffuseur est liée à la structure de l’écoulement dans les
canaux inter aubes de la roue. D’autre part, l’instationnarité de l’écoulement est influencée
par les conditions de fonctionnement. Le sillage étant le foyer de taux de fluctuations élevés et
plus sensibles à la proximité du diffuseur.
La structure de l’écoulement dans le canal inter aube est influencée par le débit. En
réduisant celui, la structure jet- sillage disparaît à partir de 0.7 Qn. L’écoulement est plus
sensible à la présence du diffuseur ; le niveau de la variation de la vitesse moyenne radiale
augmente significativement, la turbulence locale est plus élevée et enregistre une valeur
maximale quand le canal inter aube approche la zone du bord d’attaque du diffuseur.
Quant à l’effet de la roue sur le diffuseur, au débit nominal de la roue, il se traduit par un
écoulement périodique à l’entrée du col du diffuseur où le fluide attaque le diffuseur avec une
incidence variable, qui reste toutefois négative.
L’incidence est nulle au débit de meilleur rendement de la machine, qui est aussi le débit
d’adaptation entre la roue SHF et le diffuseur. L’entrée du diffuseur est alors abordée par un
écoulement homogène où disparaît le sillage de la roue.
A faible débit, le fluide attaque le diffuseur avec une incidence positive qui est à l’origine
de l’apparition d’un écoulement de recirculation. Deux zones de recirculation périodiques
apparaissent sur les flasques à la hauteur du bord d’attaque du diffuseur. L’étendue de ces
zones dépend à la fois du débit de fonctionnement et de la position relative des deux rangées
d’aubes.
A 50% du débit nominal, l’écoulement de retour est amplifié. Il remonte jusqu’à
l’intérieur de la roue et plus particulièrement au moment où les canaux de celle-ci sont centrés
par rapport aux bords d’attaques du diffuseur. Il disparaît de la roue quand les canaux des
deux éléments sont alignés.
La modélisation numérique instationnaire de l’écoulement réalisée par un code
commercial, CFX-TascFlow de AEA technologie, a montré sa bonne capacité à restituer

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l’organisation de l’écoulement. En effet, les résultats numériques sont globalement
comparables à ceux obtenus expérimentalement.
Néanmoins, à faible débit, le calcul instationnaire ne détecte aucune remontée dans la roue
de la recirculation présente en face du bord d’attaque du diffuseur. En revanche, le calcul
détecte un écoulement non homogène et périodique à l’entrée du diffuseur.
Il est important de signaler que malgré ces résultats encourageants obtenus pour cette
configuration tridimensionnelle de couplage roue-diffuseur dans une pompe centrifuge, il faut
garder en vue les discontinuités observées dans le champ de vitesse lors du passage du repère
relatif au repère absolu.
Par ailleurs, la machine réelle inclue une volute que la modélisation devrait prendre en
compte pour une analyse complète. Ce type de simulation est réalisable, mais demande un
investissement considérable à la fois pour la mise en place du modèle et pour le temps de
calcul. Ce calcul, s’il est conduit, devrait être confronté avec des mesures supplémentaires du
champ de vitesse dans le diffuseur et à travers la volute. Durant l’étude actuelle, seul le champ
de vitesse a été analysé. Des mesures de pression moyenne ou instationnaire devraient donner
une vue complète du champ hydraulique dans une pompe centrifuge. De même, il serait
intéressant d’étudier également l’influence de l’entrefer sur l’interaction roue-diffuseur.
Enfin, une possibilité pour parfaire cette analyse serait d’effectuer un travail similaire avec un
diffuseur dessiné cette fois lui aussi pour le débit nominal de la roue SHF.