Estudo Numérico da Formação de Inlet Ground Vortices num Motor de Turbina de Gás Próximo do Solo Perante um Escoamento Cruzado

Abstract

Um motor de turbina de gás a operar próximo do solo na presença de um escoamento cruzado de ar, ao aumentar a sua potência, propicia a formação de um vórtice de entrada a partir do solo que pode provocar uma perda de eficiência no motor e diversos danos no seu interior, devido às distorções do escoamento e às perdas de pressão que ocorrem na entrada de ar. Estes vórtices estão igualmente associados à ocorrência de danos por objetos externos (FOD) nos motores devido à ingestão de detritos como pós, rochas ou outros objetos de maiores dimensões, sendo a ingestão de pó responsável pela corrosão das pás dos compressores que reduz o seu tempo de vida útil. O objetivo desta dissertação consiste no estudo das condições em que ocorre a formação de vórtices de solo para diferentes razões de velocidade de admissão (푈푖/푈∞) e alturas adimensionais (ℎ/퐷푖) de um modelo à escala real de um motor na presença de vento cruzado. Recorrendo ao software comercial ANSYS Fluent 2019 R2, foram analisados os regimes em que ocorre este fenómeno para diferentes velocidades do ar à entrada do motor e para dois modelos de turbulência (푘 − 휀 Realizable e 푘 − 휔 SST), mantendo constantes os restantes parâmetros nas primeiras simulações. Posteriormente, procedeu-se a uma análise análoga para alturas adimensionais distintas das primeiras. Neste trabalho, verificou-se o surgimento de uma região de baixa pressão a montante da entrada de ar do motor para diferentes combinações dos parâmetros 푈푖/푈∞ e ℎ/퐷푖 , permitindo a identificação do núcleo do vórtice de solo nos casos em que este surgiu e observou-se adicionalmente o surgimento de vórtices secundários, nomeadamente os trailing vortices.

When a gas turbine engine increases its thrust while operating near the ground with a crosswind, it tends to form an inlet ground vortex that can lead to an engine’s efficiency loss and cause damages in its interior due to airflow distortions and pressure loss that occurs near the intake. These vortices are equally associated with the occurrence of foreign objects damage (FOD) in the engines due to the ingestion of debris such as dust, rocks or bigger objects, being the ingestion of dust responsible for fan corrosion in compressors which reduces its useful life. The goal of this dissertation consists in studying in which conditions inlet ground vortices occur for several velocity ratios (푈푖/푈∞) and dimensionless heights (ℎ/퐷푖) of a real scale model of a jet engine under crosswind. Using the commercial software ANSYS Fluent 2019 R2, it was analyzed the regimes in which this phenomenon occurs for distinct velocity values at the intake for two turbulence models (푘 − 휀 Realizable and 푘 − 휔 SST), while keeping the remaining parameters unchanged in the first simulations. Subsequently, a similar analysis was done for other dimensionless heights. In this work, it was verified the appearance of a low-pressure region upstream of the engines air intake for different combinations of 푈푖/푈∞ and ℎ/퐷푖 , allowing the identification of the vortex core in the ground in the cases in which it appeared and the appearance of secondary vortices were observed, namely trailing vortices.