Si vous vous êtes déjà senti frustré en regardant un petit moulin à vent tourner pendant qu'un ordinateur termine une tâche, essayez d'attendre six semaines.

C'est la situation dans laquelle se trouvent souvent les ingénieurs aéronautiques lorsqu'ils conçoivent de nouvelles turbines. Avec plusieurs pales de ventilateur tournant des milliers de fois par minute et des flux d'air plus rapides que la vitesse du son, modéliser avec précision la machine complexe est un défi de taille.

Pratiquement tous les avions commerciaux utilisent des moteurs à turbine et 90 % de l'électricité mondiale est produite par des turbines. Au début des années 1990, les principaux fabricants mondiaux de turbines, L'US Air Force et la NASA se sont réunies avec des experts universitaires et une société de logiciels pour former le GUIde Consortium afin de relever les "grands défis" de l'aéromécanique des turbomachines. Maintenant dans sa sixième itération, le programme fonctionne pour réduire le temps que le moulinet tourne de quelques semaines à quelques jours tout en augmentant la précision de la simulation.

« Le Consortium GUIde finance des recherches précompétitives pour répondre aux besoins des méthodes de conception de ses membres, " dit Robert Kielb, directeur du GUIde Consortium et professeur de la pratique du génie mécanique et de la science des matériaux à l'Université Duke, qui est la principale institution du programme depuis 2008. « Au cours des six dernières années, nous nous sommes concentrés sur la réponse forcée d'un compresseur embarqué, qui dicte comment les ondes de pression en interaction forcent les aubes de soufflante d'un turboréacteur à vibrer."

Ces vibrations sont à la fois un problème de sécurité et de coût. Si les lames vibrent trop, ils peuvent être endommagés au fil du temps et nécessitent un entretien coûteux. Ou pire, ils peuvent se briser et provoquer une panne du moteur.

Les sociétés d'ingénierie de turboréacteurs disposent chacune de leur propre logiciel interne pour concevoir de nouveaux moteurs, mais ils s'appuient sur les recherches menées par le consortium GUIde pour s'assurer que leur logiciel est précis. Ils achètent également des packages et des programmes auprès d'ANSYS, le seul éditeur de logiciels du consortium GUIde, qui travaille avec les chercheurs du groupe pour tester et améliorer leurs produits.

L'année dernière, Les chercheurs de Duke dirigés par Shreyas Hegde, un doctorat étudiant au laboratoire de Kielb, a abordé plusieurs questions clés dans le logiciel de modélisation produit par ANSYS.

"Les modèles de l'industrie effectuent généralement une analyse complète à 360 degrés pour déterminer comment chaque rangée de pales de ventilateur fera vibrer ses voisins, " a déclaré Hegde. "Nous essayons d'aider à simplifier ces simulations sans perdre aucune précision dans les résultats."

Une soufflante de turboréacteur est constituée de rangées d'aubes qui alternent entre des « stators » fixes et des « rotors » en rotation. Même si un gros moteur a plusieurs jeux de chacun, les simulations utilisées au stade de la conception ne modélisent généralement qu'un seul rotor pris en sandwich entre deux stators.

Dans une étude récente, Kielb, Hegde et leurs collègues ont examiné les effets de l'ajout d'un autre rotor en aval sur la simulation. Ils ont découvert que les ondes de pression traversant le système se reflètent souvent à partir de cette étape et affectent la vibration des aubes de ventilateur trouvées plus tôt dans le moteur.

"Ce n'est pas la meilleure nouvelle pour les entreprises qui conçoivent des turboréacteurs, car plus le modèle devient compliqué, plus les résultats sont longs et difficiles à interpréter, " a déclaré Kielb. " Mais si vous n'avez pas inclus ce rotor supplémentaire, vous pouvez rejeter une conception même si les effets d'interaction de ce rotor réduiraient suffisamment la vibration forcée pour qu'elle fonctionne parfaitement. Ou l'inverse peut arriver, où l'ajout du rotor à l'analyse montre que l'amplitude de vibration sera en fait plus élevée."

Les simulations sont plus faciles à réaliser si chacun des rotors et stators a un certain nombre d'aubes de ventilateur avec un dénominateur commun. Par exemple, si la simulation standard stator-rotor-stator décrite ci-dessus contenait des pales de ventilateur numérotées 44-33-44 - le dénominateur commun étant 11 - elle pourrait être simplifiée à seulement 4-3-4, mais toujours être parfaitement précis.

Dans les modèles non uniformes, l'un de ces nombres est légèrement décalé. Dans cet exemple, le nombre de pales de ventilateur peut passer à 44-33-48. Même de légères différences comme celle-ci ont longtemps été une épine dans le pied de l'industrie lorsqu'il s'agissait de simuler les performances d'une conception.

Dans une autre modification récente du logiciel, ANSYS a permis de compléter des simulations raccourcies de ces modèles non uniformes, et se tourna vers Duke pour vérifier leur travail.

"Nous avons mis en place un modèle complet à 360 degrés qui comprenait toutes les complexités auxquelles vous pouvez penser, " a déclaré Kielb. " Cela a produit une représentation plus précise des capacités et des limites du nouveau logiciel ANSYS. "

Le groupe constate que dans la plupart des cas, le logiciel ANSYS fonctionne bien, mais dans certains cas, ça marche pas très bien, et les entreprises ont besoin de savoir quels cas sont quels.

Et ANSYS aussi. Grâce au travail effectué chez Duke, l'éditeur de logiciels peut découvrir des problèmes avec leurs méthodes et les résoudre, qui aide l'ensemble de l'industrie des turbines.

« Le consortium GUIde existe depuis près de deux décennies, et cela s'est avéré être un arrangement vraiment bénéfique pour toutes les personnes impliquées, " a déclaré Kielb. " Nous allons passer encore deux ans à faire fonctionner ces simulations de vibrations forcées aussi bien que nous le pouvons, et ensuite le consortium passera à d'autres défis."