Author: Jean-Christophe Hoarau

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Published: 2019

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Les cycles organiques de Rankine (ORC) sont une technologie prometteuse utilisée pour l'extraction d'énergie à partir de sources de chaleur à basse température. Contrairement aux cycles de Rankine classiques, ils utilisent un fluide organique dense à faible point d'ébullition à la place de l'eau, cela permet d'obtenir des détendeurs plus compacts et plus performants. Pour des conditions thermodynamiques proches de la courbe de coexistence liquide/vapeur et des températures et pressions de l'ordre de grandeur du point critique, la complexité moléculaire des fluides de travail organiques induit des effets de gaz réel considérables qui doivent être modélisés à l'aide de lois d'état et de variation des propriétés de transports avancées. Pour les ORC de moyenne à forte puissance, le détendeur est généralement une turbine, caractérisée par un petit nombre d'étages très chargés fonctionnant dans les régimes d'écoulement transsoniques ou supersoniques. Afin d'améliorer la conception des turbines ORC, il est essentiel de comprendre et prévoir les mécanismes de perte dus à la formation d'ondes de choc et à leur interaction avec les couches limites environnantes transitoires ou turbulentes. Dans ce travail, nous réalisons des simulations aux grandes échelles (LES) d'écoulements transsoniques et supersoniques de gaz dense à travers des grilles d'aubes de turbines. À cette fin, nous avons d'abord mis au point une stratégie numérique appropriée, étudiant notamment des schémas d'intégration temporelle efficaces pour des écoulements dominés par le pas de temps convectif. La méthodologie proposée est validée pour des cas tests de difficulté croissante, y compris la LES de la turbine haute pression VKI LS-89. Dans le passé, cette configuration a fait l'objet de nombreuses recherches expérimentales et numériques, en utilisant un gaz parfait comme fluide de travail. Ensuite, la configuration VKI LS-89 ainsi qu'un injecteur de turbine supersonique spécialement conçu pour les applications ORC sont étudiés à l'aide de LES dans plusieurs conditions de fonctionnement, en utilisant plusieurs fluides de travail entraînant de forts effets de gaz réel, à savoir le fluorocarbure lourd PP11 et le réfrigérant r245fa. Les résultats montrent l'influence des effets de gaz dense sur la formation d'ondes de choc et sur la transition laminaire-turbulent. Des comparaisons avec des simulations basées sur les équations RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) complétées par un modèle de turbulence, l'outil principal pour le design de turbines ORC, montrent des écarts importants dus à la nature transitionnelle des écoulements dans des turbines, soulignant l'importance de l'utilisation de modèles avancés.