Investigação de interações entre choques e camadas limite em turbinas axiais supersônicas

Resumo

Esta proposta descreve o plano de pesquisa associado ao estágio de pesquisa (BEPE) do aluno Hugo Felippe da Silva Lui. Hugo desenvolverá sua pesquisa no Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da The Ohio State University (OSU), Columbus, Ohio, EUA. Durante este período, ele trabalhará sob a supervisão do Prof. Datta Gaitonde, chefe do Laboratório de Multi-Física Computacional de Alta Fidelidade, que possui ampla experiência nas áreas de computação de alto desempenho, interação de choque e camada limite e análise de escoamentos de alta velocidade, que são tópicos relacionados à atual proposta de pesquisa. O Professor Gaitonde é membro efetivo do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea (AFRL), do Instituto Americano de Aeronáutica e Astronáutica (AIAA) e da Sociedade Americana de Engenharia Mecânica (ASME). Neste projeto, pretendemos combinar simulações de alta fidelidade e técnicas de pós-processamento para a investigação de interações de ondas de choque e camadas limite (SBLIs, do inglês shock-boundary layer interactions) em turbinas axiais supersônicas. Este fenômeno ocorre em veículos transônicos, supersônicos e hipersônicos, bem como em novos conceitos de turbomáquinas supersônicas. Nessas aplicações, SBLIs podem levar a carregamentos térmicos intensos e a uma subsequente fadiga estrutural. Além disso, SBLIs são comumente associadas a fortes instabilidades devido ao movimento de choque e separação do escoamento, que podem comprometer a integridade estrutural do sistema. Em escoamentos supersônicos internos, SBLIs também são responsáveis por perdas totais de pressão e troca de calor significativa perto da superfície das pás. Neste estudo, realizaremos simulações de grandes escalas (LES) de cascatas axiais de turbinas para investigar o mecanismo de SBLI encontrado em passagens de turbomáquinas expostas a condições de fluxo supersônico de entrada. Em particular, vamos nos concentrar nos mecanismos de amplificação de instabilidades de baixa frequência que ocorrem na passagem do estator. Simulações serão realizadas em diferentes condições de escoamento para investigar os efeitos do número de Reynolds além das condições de contorno térmicas. Vale ressaltar que simulações de alta fidelidade de turbinas supersônicas axiais não estão disponíveis na literatura. Portanto, este trabalho trará contribuições ao tema de SBLI com aplicações para configurações mais realistas do que as tipicamente encontradas na literatura. Técnicas avançadas de pós-processamento também serão empregadas para fornecer uma melhor compreensão dos mecanismos de SBLI que ocorrem em estatores supersônicos. (AU)