This thesis is concerned with the study of secondary flows in low-pressure turbines. Secondary flows refer to the vortical structures that arise due to the presence of the walls onto which turbine blades are attached in an engine. The losses caused by secondary flows can contribute up to a third of the total losses of a turbine. The tools used by turbomachinery designers are still not able reliably quantify the losses associated with secondary flows across a wide range of inflow parameters. Unfortunately, secondary flows are highly dependent on inflow conditions, and particularly so on the state of the incoming end-wall boundary layer. We carried out high-fidelity numerical simulations with varying inflow conditions to better understand the effect of such variations on turbine losses. Three simulations at an exit Reynolds number of 150,000 with different inflows are considered: one case with a laminar boundary layer, one case with added free-stream turbulence (FST), and one case with a turbulent boundary layer and FST. The turbulent profile is taken from experiments and is representative of an engine-like environment. First, we analyzed the effect of varying inflow conditions on the flow field around the turbine blade. Away from the wall, FST delays separation on the suction side and dampens the large scale vortex shedding at mid-span. We observed that FST did not affect the overall picture of secondary flow losses at the outflow. Outflow losses were strongly affected by changes in inflow endwall boundary layer, where two loss cores were observed for the laminar boundary layer, while only one loss core was present for the turbulent boundary layer. In general, secondary flow structure formation and development through the passage was also significantly affected by changes in boundary layer. We applied proper orthogonal decomposition (POD) to the three cases and found that any type of reduced-order modelling for secondary flows was not applicable and that a wide range of modes was needed to capture all of the energy of the flow. Finally, we computed total pressure loss contributions across POD modes and in various regions of the domain. We found that loss production is spread out across all modes. Within the endwall region, we found that the passage vortex was responsible for most of the losses across the blade passage.

Denna avhandling handlar om sekundära flöden i lågtrycksturbiner, som är en av de viktiga komponenter som finns i gasturbiner och flygplansmotorer. Sekundära flöden syftar på de virvelstrukturer som bildas på grund av effekten av väggen där turbinbladet är fäst. Förlusterna som orsakas av sekundära flöden kan bidra upp till en tredjedel av de totala förlusterna i en turbin. De numeriska verktyg som används för att designa turbiner har fortfarande svårt med att kvantifiera sekundära förluster på ett tillförlitligt sätt, över olika inflödesvillkor. Sekundära flöden och dess förluster är starkt beroende på inflödesvillkor och särskilt på inkommande gränssiktet vid väggen. I denna avhandling använder vi högupplösta numeriska simuleringar av ett turbinblad med väggar för att försöka förstå hur olika inflödesvillkor påverkar förluster i turbinen. Vi betraktar tre olika fall, två fall med ett laminärt gränsskikt, med och utan friströmsturbulens (FST), och ett fall med ett turbulent gränsskikt och FST. Den turbulenta profilen är tagen från experiment och är representativ av ett gränsskikt som skulle hittas i en riktig motor. Alla simuleringar är utförda baserat på ett utlopp-Reynoldstal av 150,000. Vi analyserade först effekten av varierande inflödesvillkor på själva strömningen runt bladet. Borta från väggen ser vi att FST fördröjer separation på sugsidan och dämpar den storskaliga virvelavlösningen som sker på bakkanten. Vi märkte att FST hade ingen effekt på sekundära flöden och den övergripande bilden av förluster vid avloppet. För olika gränsskikt såg vi att förlusterna vid avloppet visade olika antal toppar, två för det laminära, och en för det turbulenta. Bildningen och utvecklingen av sekundära strukturer genom passagen påverkades betydligt mycket av förändringar i gränsskiktet. Vi tillämpade proper orthogonal decomposition (POD) för att försöka identifiera turbulenta strukturer i strömningen och såg att lågordningsmodellering för vå ra fall var inte lämplig. På grund av de kaotiska turbulenta fluktuationer i strömningen såg vi att ett stort antal moder behövdes för att fånga all energi i strömningen. Slutligen kunde vi använda POD för att analysera förluster för enskilda POD moder och tittade på distributionen av förluster över alla POD moder. Vi märkte att förlust produceras inte bara av låga moder, utan är utspridd över alla moder. Inom områ det nära väggen såg vi att passage virveln var ansvarig för huvuddelen av de förlusterna i turbin passagen.

Cette thèse porte sur l'étude d'écoulements secondaires dans des turbines à basse pression, que l'on trouve dans les moteurs d'avion. Dans une turbine à basse pression, les "écoulements secondaires" sont les structures tourbillonnaires qui se créent à la jonction entre la paroi sur laquelle une pale turbine est fixée et la pale elle-même. Les pertes causées par ces écoulements secondaires peuvent atteindre jusqu'à 30% des pertes totales dans une turbine. L'efficacité des outils de modélisation pour la conception de turbomachines varie de façon significative lorsqu'il s'agit de quantifier les pertes secondaires, qui dépendent fortement des conditions d'entrée et plus particulièrement de la couche limite sur la paroi. Dans le cadre de cette thèse, nous avons réalisé des simulations numériques directes d'aubes de turbine basse pression avec des parois pour comprendre comment certaines conditions d'entrées affectent les écoulements et pertes secondaires. Nous nous intéressons à deux cas avec une couche limite laminaire, avec et sans turbulence de champ libre, et un cas avec une couche limite turbulente avec de la turbulence de champ libre. Nous avons d'abord regardé l'influence des conditions d'entrée sur l'écoulement autour de l'aube. Loin de la paroi, la turbulence de champ libre a deux effets: le retard de la formation de la bulle de séparation sur l'extrados et l'atténuation des structures tourbillonnaires au bord de fuite. La turbulence de champ libre n'a pas d'effet remarquable sur la structure des écoulements secondaires et sur les pertes de pression à la sortie. La formation et le développement de structures secondaires est fortement affecté par la couche limite sur la paroi en amont. Enfin, nous avons appliqué la décomposition orthogonal aux valeurs propres (POD) pour tenter d'identifier des structures cohérentes turbulentes. Le niveau élevé de turbulence dans les trois cas nécessite un grand nombre de modes pour capturer l'énergie de l'écoulement. Nous utilisons la POD pour obtenir une distribution modale des pertes, et dans diverses régions du domaine de simulation. Nous observons que tous les modes contribuent à la production de pertes et pas seulement pour les modes d'ordre faible qui sont les plus énergétiques. D'autre part, nous observons que dans la région proche de la paroi, le tourbillon de est la région qui contribue le plus aux pertes.