The necessity for high performance axial compressors for various applications is shown. The basic theory associated with the study of these machines is presented. A method for calculating the properties of the flow along the compressor is presented. Depending on the design requirements the number of stages is selected and an appropriate shape of the channel studied. Then the compressor blading is made, row-by-row, from the calculation of the flow using a non-viscous flow associated with a loss model that allows, from the known flow at the leading edge, calculate the flow at the trailing edge. The calculations are made on streamlines initially positioned by the criterion of the same area and then repositioned according to the flow calculation in each row until the streamlines do not change their position anymore. Then the boundary-layer on hub and casing walls is evaluated, calculating the blockage coefficients, initially arbitrated. An iterative procedure is done until the blockage coefficients no longer vary. At the end, there are all the dimensions of the compressor and the properties of the flow on the streamlines at the leading and trailing edges of each row. With the geometry fixed and varying the inlet mass flow the maximum mass flow that would result in choke and the minimum one that would result in stall, or even surge, of the compressor can be determined. The computer program was written aiming at being used in a design optimization research.

In this current work it is presented the two-dimensional axisymmetrical air flow simulations under laminar regime in a conical diffuser using Computer Fluid Dynamics (CFD). The use of diffusers in laminar flow can be seen in micro-pumps applications, especially for micro-electronics cooling. The objective is to analyze the static pressure recovery coefficient (Cp) for Reynolds 64, varying the diffuser expansion angle and the diffuser exit/entrance area ratio (A2/A1 = 1.5 and 2.0) for the cases with and without tail pipe. The diffuser geometric configurations and the Cp formulation are based in the current ESDU 73024 (Engineering Sciences Data Unit) publication. The partial differential equations system (Continuity and Navier-Stoke) was solved using a computer program based in the numerical Finite Element method. For diffusers without tail pipe (A2/A1 = 1.5 and 2.0), the Cp values under turbulent flow are higher than Cp values under laminar flow for the same expansion angles. For diffuser with tail pipe (A2/A1 = 1.5 and 2.0), the Cp values under turbulent flow are higher than Cp values under laminar flow up to 18 diffuser expansion angle. Above 18, the Cp for turbulent and laminar flow follow a similar trend. For diffuser (A2/A1 = 1.5 and 2.0) under turbulent flow with and without tail pipe, the Cp results were similar up to 10 diffuser expansion angle. Above 10, the diffusers with tail pipe presented Cp results higher than diffusers without tail pipe. The same occurs for diffuser (A2/A1 = 1.5 and 2.0) under laminar flow with and without tail pipe. Therefore, the finite element method showed a good agreement to solve this kind of problem and the results are important once static pressure recovery coefficient data for laminar flow is scarce in the literature.

O difusor de seção anular é frequentemente empregado em turbinas a gás de motores aeronáuticos, dada sua característica de alcançar elevada pressão em espaço físico limitado. Guias e normas que auxiliem no projeto otimizado desse tipo de difusor não contemplam as diversas condições de contorno e regimes de escoamento nos quais o dispositivo pode operar. Para tanto, técnicas de modelagem numérica têm sido aplicadas para predizer o comportamento do escoamento nesse dispositivo e o seu desempenho. Este trabalho propõe a aplicação de ferramenta CFD (Dinâmica dos Fluidos Computacional) para análise dos efeitos no desempenho do difusor tipo anular de núcleo paralelo devido às variações do seu ângulo de divergência e dos números de Reynolds e de Mach do escoamento. O programa FLUENT 13.0 é utilizado para execução das simulações de escoamentos em regimes incompressível e compressível, empregando-se o modelo de turbulência - realizável e tratamento de parede melhorado. As equações de conservação de massa, de quantidade de movimento e de energia são resolvidas pelo emprego do Método dos Volumes Finitos (MVF). Adotou-se a formulação bidimensional axissimétrica para o domínio computacional, assim como as hipóteses de escoamento de ar turbulento, subsônico, em regime permanente, ausência de swirl e ação gravitacional desprezível. Nas simulações de escoamento incompressível, as propriedades do ar são constantes e condição de contorno de velocidade é atribuída na entrada do domínio. Em regime compressível, o fluido é tratado como gás ideal e condição de vazão mássica e temperatura total são impostas na entrada. Na saída da geometria é especificada condição da atmosfera padrão. As paredes são tratadas como adiabáticas, não-deslizantes e não-rugosas. Estudo de refinamento de malha é realizado para garantir a independência da malha nos resultados. O método numérico é validado pela comparação dos resultados obtidos para o coeficiente de recuperação de pressão estática ( ) com dados de estudos experimentais disponíveis na literatura. Os resultados são apresentados para os difusores com ângulos de divergência de , e . Dos resultados, percebe-se que as recirculações se acentuam com o aumento do ângulo e que o fenômeno de separação de escoamento pode ocorrer de forma cada vez mais precoce, seguido de perda acentuada de pressão estática. Além disso, variações nas propriedades do fluido próximo à parede do difusor, quando sujeito a escoamento compressível, contribuem com o melhor desempenho do mesmo se comparado aos resultados do difusor sob regime incompressível.