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.

Nas últimas décadas, as melhorias na tecnologia de extit{hardware} principalmente no que diz respeito a unidade de processamento central, memória e capacidade de armazenamento, diversas ferramentas numéricas aplicadas na engenharia foram desenvolvidas com o intuito de se obter respostas rápidas e mais baratas do que ensaios, experimentos e testes laboratoriais. A Dinâmica dos Fluidos Computacional (DFC) faz uma aproximação numérica como um meio de simular escoamentos. Um dos grandes desafios em soluções numéricas na DFC é a garantia da consistência, estabilidade e convergência garantindo com isso, a confiabilidade do código numérico. As turbomáquinas operam em uma ampla faixa de velocidades no campo do escoamento, podendo ter regiões com baixos números de Mach. Nesse ponto, surge um problema, pois códigos da DFC para o cálculo de escoamento compressível geralmente são programados seguindo formulações matemáticas baseadas no vetor de variáveis conservadas, podendo ter problemas numéricos e apresentar soluções inconsistentes devido a pequena variação da densidade do fluido. Chorin através de alguns estudos constatou que os códigos de DFC possuem uma diminuição de sua convergência e estabilidade quando o número de Mach do escoamento torna-se menor do que o limite de compressibilidade. Com o objetivo de solucionar este problema, Chorin criou a técnica de compressibilidade artificial. Choi e Merkle; Turkel e outros pesquisadores modificaram a técnica de compressibilidade artificial e desenvolveram a técnica de pré-condicionamento para diversas aplicações para garantir a convergência, estabilidade e melhorias na soluções numéricas dos códigos DFC para uma ampla faixa de velocidades do escoamento. No presente trabalho, foi realizada a implementação do método de pré-condicionamento de Turkel, Vatsa e Radaspiel em um programa de DFC desenvolvido por Tomita para calcular escoamentos compressíveis, internos e externos. A fim de melhorar a robustez do código numérico o pré-condicionador foi modificado seguindo o proposto no trabalho de Damorfal e Siu. O pré-condicionamento foi implementado primeiramente para as Equações de Euler e depois para escoamentos viscosos e turbulentos. Diversas experiências numéricas foram realizadas e resultados interessantes utilizando o código de DFC compressível e o código de DFC compressível com o pré-condicionador original e modificado foram obtidos. Todos estes casos estão apresentados e comentados no presente trabalho. A implementação do pré-condicionador em um código de DFC desenvolvido para o cálculo de escoamento tipicamente compressível resultou em uma ferramenta numérica com maior potencial para o cálculo do escoamento numa ampla faixa de número de Mach.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (especialização em Hidráulica). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

El presente proyecto, es un módulo de pruebas dotado por dos turbinas una pelton y una francis que simula el funcionamiento de una pequeña central hidroeléctrica y permite disponer como herramienta para capacitar e incentivar a estudiantes en energías limpias y renovables. La tesis desarrollada abarca la construcción de un sistema que muestra el funcionamiento de dos turbinas, aprovechando la operación de una electrobomba centrífuga para simular el salto hidráulico. El trabajo comprende; la construcción del módulo “Montaje de las turbinas, sistema eléctrico, electrobomba y simulación de la caída de agua”, la selección de los instrumentos y dispositivos así como los procedimientos de evaluación y diseño, se utilizara datos comerciales. Que se propone permitirá: visualizar los diferentes comportamientos hidráulicos y eléctricos que se presenten.

En el presente documento de tesis se evalúa el desempeño de un impulsor hydrofoil y versiones mejoradas para operar en un tanque agitador con una pulpa formada por agua y sulfato de cobre, mediante la dinámica de fluidos computacional. En primer lugar, el impulsor original es un impulsor hydrofoil que cuenta con una sección rectangular en sus álabes y ángulo de paso constante en toda la longitud de sus 3 álabes. En segundo lugar, las propuestas de mejora se caracterizan principalmente en que sus álabes cuentan con una sección de perfil aerodinámico NACA 4412 y torsión e inclinación en toda su longitud. Para la evaluación de los impulsores se empleó la dinámica de fluidos computacional mediante el software Ansys Fluent e indicadores de desempeño como torque requerido, flujo másico axial generado, número de potencia, patrón de flujo, entre otros. En cuanto a las condiciones de trabajo, la primera implica el estudio de los impulsores en una mezcla homogénea en régimen estacionario. Mientras en la segunda se evalúan bajo la condición inicial donde la fase líquida del agua y la fase sólida se encuentran separadas aproximando la aplicación de sólidos en suspensión en régimen transitorio. A partir de ello se selecciona la propuesta de mejora con mejor desempeño en operación en mezcla homogénea y finalmente esta es comparada con el impulsor original con el fin de determinar qué modelo logra un estado de suspensión completa bajo el mismo consumo de potencia. Finalmente, luego de analizar al impulsor original, se obtiene como principal resultado la formación de vórtices debajo del cubo y álabes, ello tiene como consecuencia una baja generación de flujo másico axial y se observa que el patrón de flujo obtenido no es completamente axial. Por otro lado, como resultados de la evaluación de los impulsores mejorados propuestos (G1, G3 y G6), se obtiene una notable reducción en la formación de vórtices debajo del impulsor, un incremento en el flujo másico generado y una mejora en el patrón de flujo axial durante la operación. En cuanto a la evaluación en suspensión de sólidos, se obtiene que con la propuesta de mejora G6 se logra un nivel de suspensión de partículas con una mejor distribución en el tanque en menor tiempo de operación bajo el mismo consumo de potencia.

With the advent of powerful computer hardware, Computational Fluid Dynamics (CFD) has been vastly used by researches and scientists to investigate flow behavior and its properties. The cost of CFD simulation is very small compared to the experimental arsenal as test facilities and wind-tunnels. In the last years many CFD commercial packages were developed and some of them possess prominence in industry and academia. However, some specific CFD calculations are particular cases and sometimes need special attention due to the complexity of the flow. In these cases, meticulous research becomes necessary. This is the case of turbomachinery flow calculations. The development of CFD codes applied to turbomachinery flow simulations and its implementation issues are not available. A few institutions have this type of knowledge. Each CFD code has its particularities. Developing a CFD code is very interest subject in academia. In this work, a computational code, written in FORTRAN, was developed to calculate internal flows in turbomachines using CFD techniques. The solver is capable of calculating the three-dimensional flows not only for turbomachines. For instance, internal and external flows of nozzles and airfoils can be calculated. The approach used allows the use of unstructured meshes of hexahedral elements. Euler, Navier-Stokes and turbulent equations can be calculated depending on the user settings. Diferent numerical schemes were implemented for time and space integration. Numerical tools to improve the stability and to increase the time-step (local time-step and implicit residual smoothing) were also implemented and all details are described in this work. The origin of this solver is to simulate flows in compressors and turbines. Therefore, both rotating and nonrotating frames of reference are calculated simultaneously. Hence, the verification and validation processes were run for both inertial and non-inertial systems. A step-by-step design procedure is presented in this work. It is very important to mention that to have a complete understanding of the flow physics in compressors and turbines the designer must have a solid knowledge of the operation of gas turbine components.

As características de um motor foguete a propelente líquido podem levar a turbina a operar em ciclo aberto ou em ciclo fechado. No caso de um motor que opera em ciclo térmico aberto, a turbina é supersônica, de ação e de admissão parcial. Já para o caso de um motor que opera em ciclo fechado, a turbina é sônica, de reação e admissão total. O uso da admissão parcial leva a turbina a ter altura de pá maior do que no caso da admissão total. Esta característica faz com que o desempenho aumente consideravelmente, pois caso a turbina operasse em admissão total, as perdas por vazamento e secundárias seriam excessivamente altas.

No presente trabalho, são discutidos alguns aspectos do escoamento em turbomáquinas radiais, com ênfase nas análises teórica e experimental de rotores centrífugos. Na análise teórica, utilizando o método das singularidades, são apresentadas duas formulações para o escoamento potencial e incompressível no interior de rotores centrífugos com pás de largura variável. Na primeira formulação, apropriada para pás de espessura finita, o escoamento no plano físico, para qualquer geometria de rotor de turbomáquina, é mapeado para o plano da grade linear. A solução numérica da equação de Fredholm de segunda espécie, resultante dessa formulação no plano da grade linear, é obtida pelo método dos painéis, através de uma distribuição de vórtices de densidade uniforme em cada painel. Por meio de uma equação de transformação de velocidades, as características do escoamento são reconduzidas para o plano físico. Na segunda formulação, apropriada para pás infinitamente finas, as características do escoamento são obtidas no próprio plano da grade radial. A solução numérica da equação de Fredholm de primeira espécie resultante dessa formulação é obtida também pelo método dos painéis, porém com uma distribuição de vórtices de densidade linear em cada painel. Diversas características locais e globais do escoamento são determinadas para vários formatos de pás. Baseando-se no carregamento da pá, propõe-se um parâmetro adimensional que determina o número ótimo de pás. Na análise experimental, foram construídos cinco rotores centrífugos com diferentes formatos e números de pás. Também, foi construída uma seção especial de testes para ensaios de rotores centrífugos sem interferência externa irregular no seu escoamento. Para a determinação das características do escoamento, foram utilizados dois sistemas de medidas: um, com uma sonda aerodinâmica localizada na saída do rotor centrífugo e, o outro, com uma célula de carga para a medição da potência de eixo desse rotor. A comparação entre os resultados obtidos por esses dois sistemas de medidas mostra algumas características importantes como o fenômeno da recirculação do escoamento no rotor centrífugo. Os resultados numéricos e experimentais são comparados para uma ampla faixa de vazões. Diversas análises dos resultados são apresentadas e alguns comentários são feitos sobre a validade da aplicação de teorias invíscidas em rotores centrífugos. Conclui-se que o critério baseado no número de Richardson máximo é apropriado para indicar o número ótimo de pás de rotores centrífugos com pás curvadas para trás, por meio do cálculo do escoamento potencial.

Orientador: Kamal Abdel Radi Ismail / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-19T02:00:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rosolen_CeliaVandaAlvesdeGodoy_D.pdf: 6132404 bytes, checksum: 6af57a0cb75e4c1476dd73ce697ed5a5 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: O presente trabalho tem como objetivos principais a elaboração de uma metodologia de cálculo de perfis e de cascatas em escoamento potencial baseado na distribuição de vórtices na superfície, o desenvolvimento de um código computacional próprio e a convalidação dos resultados obtidos. A metodologia baseia-se nos trabalhos de Martensen (1959), de Murugesan e Railly (1969) e de Lewis (1991). O comportamento aerodinâmico e os parâmetros característicos de um perfil isolado são totalmente conhecidos e existem várias técnicas analíticas e numéricas para avaliar e determinar o comportamento desses perfis. Essas técnicas analíticas podem ser estendidas para tratar os perfis experimentais como os perfis NACA com bons resultados. Neste trabalho o cálculo de perfis isolados compreende o uso do método de vórtices na superfície numa aproximação inversa. Inicialmente uma distribuição de velocidade é especificada a partir do ponto de estagnação do bordo de ataque. A distribuição de velocidade calculada sobre a superfície de um perfil inicial arbitrário é comparada com aquela requerida. A diferença entre elas é utilizada como sendo o valor de uma distribuição de vórtices que é imposta sobre o contorno. Devido ao campo desta distribuição de vórtices adicional, aparece uma distribuição de velocidades normais à superfície o que viola o conceito de linha de corrente. O contorno volta a ser uma linha de corrente quando sua inclinação local é ajustada de acordo com a razão entre os valores das velocidades normal e requerida. O perfil obtido é submetido a uma nova análise direta e a distribuição de velocidade obtida é comparada com a distribuição requerida. Os cálculos são repetidos até alcançar a convergência. O algoritmo numérico resultante foi aplicado a dois tipos de perfis, analítico (Joukowski) e experimental (NACA), para os casos de aerofólios simétrico e assimétrico. Os perfis NACA utilizados são NACA 65-010 e NACA 65-1210. Em todos os casos os perfis foram gerados usando a metodologia de distribuição de vórtices e os resultados foram comparados com os respectivos perfis originais, mostrando boa concordância. Tendo verificado que a técnica proposta e o código elaborado são válidos e produzem bons resultados, eles são aplicados à análise de cascatas de aerofólios NACA 65-1210 e de uma cascata de aerofólios de Gostelow / Abstract: This work presents a method to calculate airfoils and cascades in potential flow based upon the distribution of vortices on the profile surface, develop a computational code and validate the predictions with available well accepted results. The technique is based upon Martensen (1959), Murugesan and Railly (1969) and Lewis (1991). Cascades are usually specified according to the application and they can be stationary or moving. The aerodynamic behavior and the aerodynamic characteristics of isolated foil are known and many techniques to calculate these foils are available. These analytic techniques can be extended to handle nicely experimental foils such as the NACA's. In the present work, the method of distributing the vortices over the surface of the foil is used in the reverse sense. Initially a velocity profile is specified starting from the leading edge stagnation point. It is calculated the velocity distribution over the surface of an initial arbitrary foil and it is compared with that required. The difference between them is used as an additional distribution of vortices imposed over the surface. A distribution results in a velocity component normal to the surface and this violates the concept of the stream line. The contour turns to be a streamline when its local inclination is adopted according to the ratio of the normal velocity and the required velocity. The resultant foil is reanalyzed and the velocity distribution obtained is compared with the required distribution. The calculations are repeated until convergence is achieved. The numerical code was applied to two types of foils, analytical (Joukowski) and experimental (NACA) for the cases of symmetrical and asymmetrical foils. NACA foils used are the NACA 65-010 and NACA 65-1210. In all the cases the foils were generated using the vortex distribution technique and the resulting profiles were compared with the original profiles indicating a good agreement. These comparisons validate the proposed technique and the developed code. They were applied to analyse cascades of NACA 65-1210 foils and a cascade of the Gostelow foils / Doutorado / Termica e Fluidos / Doutor em Engenharia Mecânica