Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Ciências Mecânicas, 2016. / Submitted by Albânia Cézar de Melo (albania@bce.unb.br) on 2016-04-06T12:53:32Z
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2016_BraulioGutierrezPimenta.pdf: 58058787 bytes, checksum: a0cdeeb6fca3ecffb891becf62a09da5 (MD5) / O presente assunto desta tese se trata de simulações numéricas e novas considerações na modelagem física do ruído gerado por interação do rotor e estator em turbofans aeronáuticos. É feito um estudo teórico preliminar de propagação acústica em dutos com escoamento uniforme, onde é modelada a fonte acústica a partir de preceitos cíclicos da interação rotor e estator. Então são avaliada as características de propagação desses ditos modos de interação, juntamente com a aproximação de dutos anulares finos a ser utilizada nas simulações numéricas, simplificando o grau de liberdade radial do problema de geração e propagação acústica. É feito um estudo teórico da hipótese de escoamento fora do equilíbrio termodinâmico, quando são envolvidas altas frequências características no escoamento e elevadas amplitudes de oscilação. A partir de um modelo pré-existente de viscosidade expansional, é feito um estudo teórico unidimensional no domínio da frequência para baixas amplitudes, em que todos os grupos adimensionais identificados são avaliados na sensibilidade de seus parâmetros. Para o estudo numérico preliminar da viscosidade expansional em condições de propagação unidimensional e no domínio do tempo, é proposto um esquema numérico baseado em diferenças finitas compactas e passo temporal do tipo Runge-Kutta, ambos de alta ordem de precisão numérica. A validação desse esquema numérico é feita com a modificação das equações governantes para se adequar a equação de Burgers viscosa, onde a solução do caso de um salto de descontinuidade é comparada com os valores numéricos obtidos. Modificações também são propostas para o já existente código de simulação numérica VAT (Virtual Aeroacoustic Tunnel), onde um novo esquema de interpolação das faces dos volumes de controle é proposto com argumentos espectrais, visando melhorar as características de propagação do código. Também são propostas modificações no esquema de viscosidade artificial para melhorar sua estabilidade numérica e é feita uma nova implementação do código em CUDA Fortran para utilização de GPUs (Graphical Processing Units) para o cálculo numérico. No estudo unidimensional numérico da viscosidade expansional, é feita a análise de sensibilidade dos parâmetros sobre a dissipação da amplitude da onda estudada. Também é feita uma comparação do decaimento de amplitude de onda para vários valores iniciais de amplitude, em que são comparados os valores numéricos e teóricos e identificada a barreira de linearidade do regime de propagação. São feitas simulações bidimensionais de interação rotor e estator com a fronteira imersa móvel que equivalem a aproximação anular e seus resultados são comparados com a teoria desenvolvida nos regimes de escoamento subsônico, transônico e supersônico. Todos os regimes apresentaram excelente concordância teórica no quesito geração e propagação modal e ainda na propagação de ondas de choque em variadas condições geométricas de geração, incluindo a condição realista de ruído de serra elétrica. Uma modificação do modelo de viscosidade expansional é proposta para a sua aplicação em métodos numéricos que efetuem a marcha temporal. Uma primeira aplicação é feita e seus parâmetros testados para o caso supersônico, de elevada amplitude de onda. Os resultados indicaram que o modelo atuou somente no conteúdo relacionado ao divergente do campo de velocidade do escoamento, onde foi mantida a característica dos outros fatores do escoamento, como a vorticidade e a definição dos corpos no escoamento com a metodologia de fronteira imersa móvel. _______________________________________________________________________________________________ ABSTRACT / The subject of this thesis is about numerical simulation and new physical considerations on the noise generated by rotor and stator interaction in aeronautic turbofans. A preliminary theoretical study on noise propagation in ducts with uniform flow was carried, where the acoustic noise source is characterized after cyclic conditions in time and space of the rotor and stator interaction. Then the propagation characteristics of these modes from the noise sources were assessed with the thin duct approximation, simplifications that are used in the numerical simulations, resulting in a reduction of the radial degree of freedom from the noise generation and propagation. A theoretical study of the sound propagation out of the thermodynamic equilibrium was carried out for cases with high frequency and large amplitude waves. A one dimensional theoretical study in frequency domain for waves with infinitesimal amplitude was carried from an already existent expansional viscosity model, where the nondimensional parameters ware identified and their influence on the flow was assessed. For the numerical study of the expansional viscosity in one dimensional flows, a numerical scheme based on compact finite difference for space derivatives and Runge-Kutta time stepping was proposed, both with high order of numerical precision. The validation of this numerical scheme was done with some simplifications on the governing equations to result in the viscous Burgers’ equation. An exact solution of traveling discontinuity on velocity is compared with the obtained numerical solution. Scheme modifications were proposed for the already existent numerical code VAT (Virtual Aeroacoustic Tunnel), where a new control volume face interpolation based on spectral characteristics to improve the code propagating capabilities was used. Modifications in the artificial viscosity were also proposed to achieve a better numerical stability condition. A code implementation in CUDA Fortran was done to use GPUs (Graphical Processing Unit) in the numerical calculations. On the one dimensional numerical study of the expansional viscosity, a sensitivity analysis of the physical parameters is carried to assess its influence on the wave amplitude decay. Also the decay of several initial wave amplitudes of the numerical results were compared with the theoretical values, and the barrier of the linear propagation regime of initial wave amplitude was identified. Two dimensional cases of rotor and stator interaction were simulated with the moving immersed boundary methodology, where its results were compared with the theoretical ones with the thin duct approximation for the subsonic, transonic and supersonic flow regimes. All the flow regimes were in excellent agreement with the generation and propagation theory of the interaction modes, including shock-wave generation and propagation in several rotor geometric conditions, resulting in the buzz-saw noise. A modification of the expansional viscosity for numerical codes in time domain was proposed. Simulations were carried out and its physical parameters were tested for the supersonic rotor case. Preliminary results indicated that the expansional viscosity model acted only on the velocity divergence related content, where other flow features, such as vorticity and the immersed boundary were kept intact.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.unb.br:10482/19936 |
| Date | 03 February 2016 |
| Creators | Pimenta, Braulio Gutierrez |
| Contributors | Cunha, Francisco Ricardo da, Miserda, Roberto Francisco Bobenrieth |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UnB, instname:Universidade de Brasília, instacron:UNB |
| Rights | A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data., info:eu-repo/semantics/openAccess |
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