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Advisor(s)
Abstract(s)
When an aero-engine is operating near the ground at low aircraft speeds, high thrust
and exposed to a crosswind the formation of a potent inlet ground vortex can arise. This
structure create significant pressures losses and flow distortions and is swallowed by the
engine. As a consequence, fan efficiency and thrust are severely affected and compressor
surge may also occur. Inlet ground vortices are the cause of major foreign object damage
(FOD) due to the ingestion of rocks, sand and other debris. The ingestion of foreign objects
can cause notable damage to engine components as well as overall performance degradation.
In the present work the flow fields for a full-scale aero-engine have been simulated for a
range of ground clearances, engine diameters and intake velocity ratios under crosswind
conditions. The aim of this study is to better understand the ground vortex inlet mechanisms
supplying new information to foster vortex avoidance techniques. This work has shown large
low pressure regions in front of the engine face for different engine-velocity/ratio-clearance
distance combinations that extend to the ground especially where the vortex coalesces.
There are two areas of no vortex as a function of h/Di and𝑈𝑖/𝑈∞ . The first is the anticipated
frontier (threshold) between the regions vortex/no vortex, but a second one was detected for
high values of 𝑈𝑖/𝑈∞ (𝑈𝑖/𝑈∞ >50.00) that had not been mentioned in previous works. The
inlet ground vortex mechanism is a very complex one which should be further investigated,
and experimental works are desirable.
Quando um motor de turbina de gás está operando perto do solo a baixas velocidades de aeronave, potências elevadas e exposto a um escoamento cruzado a formação de um “inlet ground vortex” pode surgir. Esta estrutura cria perdas significativas de pressões e distorções do escoamento e é admitida pelo motor. Como consequência, a eficiência do compressor e a força de propulsão são afetadas severamente e também pode ocorrer o fenómeno de “surge” do compressor. Os “inlet ground vortexes” são a causa de grandes danos causados por objetos estranhos (FOD) devido à ingestão de rochas, areia e outros detritos. A ingestão de objetos estranhos pode causar danos notáveis aos componentes do motor, bem como degradação do desempenho geral. No presente trabalho, os escoamentos para um motor de turbina de gás à escala real foram simulados para uma gama de distâncias ao solo, diâmetros de motor e razões de velocidade de admissão sob condições de vento cruzado. O objetivo deste estudo é compreender melhor os mecanismos do “inlet ground vortex” e fornecer novas informações para promover técnicas de prevenção desses vórtices. Este trabalho mostrou grandes regiões de baixa pressão em frente da admissão do motor para diferentes combinações de velocidade de admissão do motor / distância ao solo, que se estendem até ao chão especialmente onde o vórtice coalesce. Existem duas áreas sem vórtice em função de h/Di e 𝑈𝑖/𝑈∞. A primeira é a fronteira antecipada (“treshold”) entre as regiões vórtice / não vórtice, mas uma segunda foi detetada para valores elevados de 𝑈𝑖/𝑈∞ (𝑈𝑖/𝑈∞> 50) que não foram mencionados em trabalhos anteriores. O mecanismo do “inlet ground vortex” é muito complexo e deve ser investigado mais a fundo e os trabalhos experimentais são desejáveis.
Quando um motor de turbina de gás está operando perto do solo a baixas velocidades de aeronave, potências elevadas e exposto a um escoamento cruzado a formação de um “inlet ground vortex” pode surgir. Esta estrutura cria perdas significativas de pressões e distorções do escoamento e é admitida pelo motor. Como consequência, a eficiência do compressor e a força de propulsão são afetadas severamente e também pode ocorrer o fenómeno de “surge” do compressor. Os “inlet ground vortexes” são a causa de grandes danos causados por objetos estranhos (FOD) devido à ingestão de rochas, areia e outros detritos. A ingestão de objetos estranhos pode causar danos notáveis aos componentes do motor, bem como degradação do desempenho geral. No presente trabalho, os escoamentos para um motor de turbina de gás à escala real foram simulados para uma gama de distâncias ao solo, diâmetros de motor e razões de velocidade de admissão sob condições de vento cruzado. O objetivo deste estudo é compreender melhor os mecanismos do “inlet ground vortex” e fornecer novas informações para promover técnicas de prevenção desses vórtices. Este trabalho mostrou grandes regiões de baixa pressão em frente da admissão do motor para diferentes combinações de velocidade de admissão do motor / distância ao solo, que se estendem até ao chão especialmente onde o vórtice coalesce. Existem duas áreas sem vórtice em função de h/Di e 𝑈𝑖/𝑈∞. A primeira é a fronteira antecipada (“treshold”) entre as regiões vórtice / não vórtice, mas uma segunda foi detetada para valores elevados de 𝑈𝑖/𝑈∞ (𝑈𝑖/𝑈∞> 50) que não foram mencionados em trabalhos anteriores. O mecanismo do “inlet ground vortex” é muito complexo e deve ser investigado mais a fundo e os trabalhos experimentais são desejáveis.
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Keywords
Aerodinâmica - Motores de aeronaves Motores de aeronaves - Vórtices de solo Dinâmica dos fluidos - Vórtices de solo