Simulação numérica de ondas não-lineares em dinâmica dos gases e ruído de interação rotor-estator em turbofans aeronáuticos

Abstract

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.