Turbofan inter-compressor duct pressure loss model using CFD

Αναστασίου, Ασπασία; Anastasiou, Aspasia

dc.contributor.author	Αναστασίου, Ασπασία	el
dc.contributor.author	Anastasiou, Aspasia	en
dc.date.accessioned	2021-11-23T12:05:39Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54092
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.21790
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Υπολογιστική ρευστοδυναμική	el
dc.subject	Αεροπορικοί κινητήρες Turbofan	el
dc.subject	Αγωγός τύπου S	el
dc.subject	Απώλειες ολικής πίεσης	el
dc.subject	Παραμετροποίηση γεωμετρίας	el
dc.subject	Computational fluid dynamics	en
dc.subject	Turbofan engines	en
dc.subject	S- shaped duct	en
dc.subject	Total pressure loss	en
dc.subject	Geometry parameterization	en
dc.title	Turbofan inter-compressor duct pressure loss model using CFD	en
dc.title	Μοντέλο Απωλειών Πίεσης Ενδιάμεσου Αγωγού Κινητήρων Turbofan με χρήση CFD	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Compuational Fluid Dynamics	en
heal.classification	Υπολογιστική Ρευστοδυναμική	el
heal.classification	Αεροπορικοί Κινητήρες	el
heal.classification	Aircraft Engines	el
heal.dateAvailable	2022-11-22T22:00:00Z
heal.language	en
heal.access	embargo
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-10-07
heal.abstract	The air transport sector has evolved rapidly in recent years leading to a significant increase of interest around the design and optimization of aircraft engines. More specifically, in the last decades, researchers’ focus has concentrated on improving the efficiency of the already existing engines by analyzing their main components. The development of Computational Fluid Dynamics methods has assisted in this direction since the simulation of the flow within the engine was enabled. One of the parts of the turbofan engine which has attracted the interest of the scientific community is the intermediate compressor duct. This duct, which is S-shaped, guides the flow from the low to the high-pressure compression system. Due to its curvature, an adverse radial pressure gradient and centrifugal forces are generated causing the flow to separate. The flow patterns developed within the duct, have been explored in detail by the researchers, and are significantly influenced by its geometry, the existence of load-carrying struts and the inlet flow. Furthermore, several techniques have been proposed to optimize the performance of the S-shaped duct, either by optimizing its shape or by adopting a more integrated design approach. All these methods aim to improve the efficiency of the duct and reduce its total pressure losses. In this work, the ducts of seventeen existing turbofan engines have been examined. The geometry of the duct for each case was obtained by the digitization of its section view. The reconstructed ducts were analyzed to determine the basic parameters used to accurately describe its geometry. For the radii and the area along the duct, non-dimensional distributions were generated, using quadratic and cubic polynomial functions, respectively. The curvature of the duct walls could be derived from the coefficient of the quadratic term of the shroud radius distribution which combined with the non-dimensional geometric parameters and the length of the duct could be used to parametrize its total geometry. This process is named Parametrization Process I. For the second procedure proposed, Process II, the curvature coefficient and the basic design parameters, known from the compressors' designs, should be given. For a 10°sector of the digitized and parametrized ducts, CFD flow simulations were conducted, using ANSYS CFX, to obtain the total pressure loss factor DP/P. The base case examined corresponded to the duct of GE90. After carrying out a grid independence study, a refined mesh was used with the y+ value maintained lower than 2. The turbulence model selected for the simulation was the Shear Stress Transport k-ω model. At the inlet of the duct, the total pressure and temperature were specified, while for the outlet the total mass flow rate was determined. The total pressure loss factor and the inlet Mach number were determined with both being within the expected range. The purpose of this work was to develop a model capable of providing an accurate estimation of the pressure losses depending on the duct’s geometry and operating point. To acquire the expressions included in the model, a parametric study was conducted. Analytically, the influence of the non-dimensional variables used to parametrize the duct was examined through CFD simulations. It was observed that the losses were reduced for increasing curvature coefficient, while their correlation with the geometric ratios and the length was independent of the radii distribution. An exponential relation between the losses and the mass flow rate, as a percentage of the design value for the duct, was also discovered. The exponent used in this function was varying with the curvature of the duct’s walls. After developing the model, it was validated by comparing its results for four different cases with the CFD simulation results obtained using the Parametrization Process II. The deviations calculated for the factor DP/P and for the exponent were insignificant, leading to the conclusion that the model is accurate. Finally, based on the model’s estimations a parametric study was conducted, resulting in conclusions for the selection of the input geometric values in order to maintain the pressure loss and the overall duct's weight within the desired range.	en
heal.abstract	Τα τελευταία χρόνια ο τομέας της αεροπορίας έχει γνωρίσει ραγδαία ανάπτυξη οδηγώντας στην αύξηση του ενδιαφέροντος των ερευνητών για τον σχεδιασμό και την βελτιστοποίηση των αεροπορικών κινητήρων. Πιο συγκεκριμένα, στόχος πλέον είναι η αύξηση της απόδοσης των χρησιμοποιούμενων κινητήρων τύπου Turbofan, που μπορεί να επιτευχθεί μέσω της βελτιστοποίησης της λειτουργίας των επιμέρους τμημάτων τους. Σε αυτή την προσπάθεια σημαντική είναι η συνεισφορά των μεθόδων υπολογιστικής ρευστοδυναμικής, οι οποίες παρέχουν την δυνατότητα μοντελοποίησης της ροής εντός του κινητήρα. Ένα από τα τμήματα των αεροπορικών κινητήρων που έχει προσελκύσει αρκετούς από τους ερευνητές είναι ο αγωγός που βρίσκεται ενδιάμεσα των συμπιεστών. Το σχήμα του προσομοιάζεται με το γράμμα της αγγλικής αλφαβήτου “S” και ρόλος του είναι η σωστή καθοδήγηση της ροής από τον συμπιεστή χαμηλής (LPC) ή μέσης (IPC) προς τον συμπιεστή υψηλής πίεσης (HPC). Λόγω της καμπυλότητας των τοιχωμάτων του αγωγού εντός του αναπτύσσονται φαινόμενα αποκόλλησης, τα οποία έχουν διερευνηθεί εις βάθος στην υπάρχουσα βιβλιογραφία. Η ροή επηρεάζεται και από τους εκατέρωθεν συμπιεστές καθώς και από τη συχνή ύπαρξη υποστυλωμάτων ή βαλβίδων απομάστευσης εσωτερικά του αγωγού. Στην βιβλιογραφία, προτείνεται ένα πλήθος τεχνικών για την βελτίωση των επιδόσεων αυτού του τμήματος των κινητήρων. Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας, εξετάστηκαν οι αγωγοί δεκαεφτά κινητήρων τύπου Turbofan. Η γεωμετρία για τον κάθε αγωγό εξήχθη μέσω διαδικασίας ψηφιοποίησης και αναλύθηκε, σε συνδυασμό με τους υπολοίπους, για την εύρεση ενός αποδοτικού τρόπου περιγραφής της. Πιο συγκεκριμένα, τόσο για την αδιάστατη κατανομή των ακτίνων όσο και της διατομής κατά μήκος του αγωγού βρέθηκαν πολυώνυμα, 2ης και 3ης τάξης αντίστοιχα. Για την περιγραφή της κυρτότητας των τοιχωμάτων είναι δυνατή η χρήση μόνο ενός συντελεστή, που προκύπτει από την κατανομή της ακτίνας του κελύφους. Έτσι αναπτύχθηκαν δύο διαδικασίες παραμετροποίησης της γεωμετρίας του αγωγού. Για την πρώτη, ο χρήστης καλείται να εισάγει τις βασικές αδιάστατες γεωμετρικές παραμέτρους του αγωγού, όπως αυτές ορίζονται στην βιβλιογραφία, τον συντελεστή καμπυλότητας καθώς και το μήκος του. Για την δεύτερη διαδικασία, πρέπει να καθοριστούν ο συντελεστής καμπυλότητας, το μήκος, ο λόγος ακτίνων στην είσοδο και την έξοδο καθώς και οι αντίστοιχοι αριθμοί Mach. Σε λογισμικό CFD έγιναν προσομοιώσεις της ροής εντός ενός τμήματος 10° του αγωγού τύπου S. Για κάθε αγωγό δημιουργήθηκε εξαεδρικό πλέγμα με πύκνωση κοντά στα τοιχώματα ώστε να διατηρηθεί η αδιάστατη παράμετρος y+ μικρότερη από 2. Για την μοντελοποίηση της τύρβης χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο SST. Το βασικό σενάριο που εξετάστηκε αντιστοιχεί στον αγωγό του GE90, για τον οποίον καθορίστηκαν οι συνθήκες της ροής εισόδου και εξόδου και υπολογίστηκε ο συντελεστής απωλειών ολικής πίεσης, που βρέθηκε εντός των εμπειρικών ορίων. Στόχος αυτής της εργασίας ήταν η δημιουργία ενός μοντέλου για την εκτίμηση των απωλειών πίεσης εντός του αγωγού τύπου S, βασιζόμενο στα αποτελέσματα των ανωτέρω προσομοιώσεων. Για την εξαγωγή των αλγεβρικών σχέσεων που συνθέτουν το μοντέλο εξετάστηκε η ροή για διαφορετικές γεωμετρίες, με μεταβολή των βασικών αδιάστατων γεωμετρικών παραμέτρων και του συντελεστή καμπυλότητας. Επίσης, βρέθηκε η εκθετική σχέση αναγωγής των απωλειών σε παροχές εκτός του σημείου σχεδιασμού της μηχανής με εκθέτη που εξαρτάται άμεσα από την κυρτότητα των τοιχωμάτων. Το μοντέλο αυτό επαληθεύθηκε συγκρίνοντας τα αποτελέσματά του με τις ακριβέστερες εκτιμήσεις που προσφέρει το λογισμικό CFD. Τέλος, έγινε μία παραμετρική μελέτη, με την χρήση του μοντέλου, ώστε να βρεθούν οι τιμές των δεδομένων της διαδικασίας παραμετροποίησης που οδηγούν στην επίτευξη της ελαχιστοποίησης του συντελεστή απωλειών πίεσης και του συνολικού βάρους του αγωγού.	el
heal.advisorName	Αρετάκης, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Γιαννάκογλου, Κυριάκος	el
heal.committeeMemberName	Μαθιουδάκης, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Αρετάκης, Νικόλαος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ρευστών. Εργαστήριο Θερμικών Στροβιλομηχανών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	129 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false