Flow separation over low-pressure turbine (LPT) airfoils is a critical issue that limits the operational envelope of high-bypass ratio turbofan engines. At high altitudes and under high load conditions, the reduced density and adverse pressure gradients make the suction side of LPT airfoils prone to boundary layer separation. Understanding the physics of separated flow under these conditions can provide valuable insights for improving performance through active flow control.
This thesis investigates the physical behavior of separated flow over a simplified wall-mounted bump geometry that mimics the separation on the suction side of an LPT airfoil. High-order numerical simulations are employed to examine the effects of harmonic inflow oscillation and a 2D synthetic jet on the separated flow under laminar and turbulent inflow conditions. Direct numerical simulations (DNS) is chosen over Large Eddy Simulations (LES) and Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) to eliminate any unphysical behavior caused by turbulence modeling. The DNS solves the compressible Navier-Stokes equations using the high-order Discontinuous Galerkin Spectral Element Method (DGSEM).
A novel mode decomposition technique is developed to analyze the flow and extract underlying physical processes that are capable of decomposing time-localized events and transient phenomena. The new method extends Variational Mode Decomposition (VMD), originally developed for the signal processing subfield of electrical engineering. It formulates a variational problem aimed at minimizing the resulting bandwidth of the decomposed modes. In the novel method, additional objectives are incorporated to impose weak orthogonality conditions. This novel approach, termed Orthogonalized Variational Mode Decomposition (OVMD), effectively prevents mode duplication and destructive interference while enhancing robustness. The method is adapted for multivariate/multidimensional signals, broadening its application to fluid dynamics. In conjunction with other common techniques in fluid dynamics, such as triple decomposition and power spectral density analysis, OVMD is used to analyze the transient process of separated flow.
The separated flow over a wall-mounted bump geometry is then studied under steady laminar inflow conditions and with a harmonic oscillation of the inflow stream. The harmonic oscillation models the passage of the wakes arriving at an LPT blade from the vanes of the previous stator stage. Three inflow oscillation frequencies and three amplitudes are examined, with frequencies comparable to wake-passing frequencies in practical LPTs and amplitudes ranging from $1%$ to $10%$ of the inflow total pressure. Three distinct flow scenarios are identified. In the first scenario, the flow behaves similarly to the steady-inflow case but with a slow temporal modulation of the amplitude of the KH vortices that follows the inflow changes. In the second scenario, KH vortex shedding is intermittently replaced by the formation and release of a large vortex cluster during part of the inflow period. The third scenario consists solely of the periodic formation and release of vortex clusters, resulting in a consistent reduction of the separated flow length over the entire period compared to the steady-inflow case.
Following these findings, two active control strategies that attempt to promote the dynamics of Scenario 3 in the absence of inflow oscillations are analyzed. Active control is implemented through periodic blowing and suction boundary conditions around the summit of the bump. Two strategies are considered: Strategy I employs continuous periodic blowing and suction, while Strategy II introduces an inactive period or duty cycle between blowing and suction phases. Notably, Strategy II, successfully replicates Scenario 3, revealing an interesting novel strategy to reduce the overall length of the separated flow region and its detrimental impact on aerodynamics.
RESUMEN
La separación del flujo sobre los perfiles aerodinámicos de la turbina de baja presión (LPT) es un problema crítico que limita el rendimiento de los motores turbofán de alto índice de derivación. A grandes altitudes y bajo alta carga, la baja densidad y los gradientes de presión adversos favorecen la separación de la capa límite en el lado de succión de los álabes de la LPT. Comprender esta separación es clave para mejorar el rendimiento mediante el control activo del flujo.
Esta tesis investiga el comportamiento físico del flujo separado sobre una geometría simplificada de protuberancia montada en una pared, que imita la separación en el lado de succión de un perfil aerodinámico de una LPT. Se emplean simulaciones numéricas directas (DNS) con el Método de Elementos Espectrales Discontinuos de Galerkin (DGSEM) para analizar el efecto de la oscilación armónica de entrada y un chorro sintético 2D en condiciones de flujo laminar y turbulento. Se opta por DNS en lugar de simulaciones de Grandes Vórtices (LES) o simulaciones promediadas por Reynolds (RANS) para evitar errores de modelado de la turbulencia.
Se desarrolla una nueva técnica de descomposición modal para analizar el flujo y descomponer eventos transitorios y localizados en el tiempo. Este método amplía la textit{Variational Mode Decomposition} (VMD) al formular un problema variacional que minimiza el ancho de banda de los modos descompuestos. Además, incorpora condiciones de ortogonalidad débil para evitar la duplicación de modos y la interferencia destructiva, mejorando la robustez. Denominado textit{Orthogonalized Variational Mode Decomposition} (OVMD), este enfoque se adapta a señales multivariadas y multidimensionales, ampliando su aplicación a la dinámica de fluidos. Combinado con técnicas como la descomposición triple y el análisis de densidad espectral de potencia, OVMD permite un análisis detallado del proceso transitorio del flujo separado.
El flujo separado sobre la geometría de protuberancia montada en una pared se estudia bajo condiciones de flujo de entrada laminar estacionario y con una oscilación armónica del flujo de entrada. La oscilación armónica modela el paso de estelas que llegan a una pala de LPT desde los álabes de la etapa de estator anterior. Se examinan tres frecuencias de oscilación del flujo de entrada y tres amplitudes, con frecuencias comparables a las frecuencias de paso de estela en LPTs reales y amplitudes que varían entre el 1% y el 10% de la presión total del flujo de entrada. Se identifican tres escenarios de flujo distintos. En el primer escenario, el flujo se comporta de manera similar al caso de flujo estacionario, pero con una modulación temporal lenta de la amplitud de los vórtices KH que sigue los cambios del flujo de entrada. En el segundo escenario, la generación de vórtices KH es reemplazada intermitentemente por la formación y liberación de un gran cúmulo de vórtices durante parte del período del flujo de entrada. El tercer escenario consiste únicamente en la formación y liberación periódica de cúmulos de vórtices, lo que da lugar a una reducción constante de la longitud del flujo separado en todo el período en comparación con el caso de flujo estacionario.
A partir de estos hallazgos, se analizan dos estrategias de control activo que intentan promover la dinámica del Escenario 3 en ausencia de oscilaciones del flujo de entrada. El control activo se implementa mediante condiciones de frontera de soplado y succión periódicos alrededor de la cima de la protuberancia. Se consideran dos estrategias: la Estrategia I emplea un soplado y succión periódicos continuos, mientras que la Estrategia II introduce un período inactivo o ciclo de trabajo entre las fases de soplado y succión. Cabe destacar que la Estrategia II logra replicar con éxito el Escenario 3, revelando una estrategia novedosa para reducir la longitud total de la región de flujo separado y su impacto negativo en la aerodinámica.
Flow separation over low-pressure turbine (LPT) airfoils is a critical issue that limits the operational envelope of high-bypass ratio turbofan engines. At high altitudes and under high load conditions, the reduced density and adverse pressure gradients make the suction side of LPT airfoils prone to boundary layer separation. Understanding the physics of separated flow under these conditions can provide valuable insights for improving performance through active flow control.
This thesis investigates the physical behavior of separated flow over a simplified wall-mounted bump geometry that mimics the separation on the suction side of an LPT airfoil. High-order numerical simulations are employed to examine the effects of harmonic inflow oscillation and a 2D synthetic jet on the separated flow under laminar and turbulent inflow conditions. Direct numerical simulations (DNS) is chosen over Large Eddy Simulations (LES) and Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) to eliminate any unphysical behavior caused by turbulence modeling. The DNS solves the compressible Navier-Stokes equations using the high-order Discontinuous Galerkin Spectral Element Method (DGSEM).
A novel mode decomposition technique is developed to analyze the flow and extract underlying physical processes that are capable of decomposing time-localized events and transient phenomena. The new method extends Variational Mode Decomposition (VMD), originally developed for the signal processing subfield of electrical engineering. It formulates a variational problem aimed at minimizing the resulting bandwidth of the decomposed modes. In the novel method, additional objectives are incorporated to impose weak orthogonality conditions. This novel approach, termed Orthogonalized Variational Mode Decomposition (OVMD), effectively prevents mode duplication and destructive interference while enhancing robustness. The method is adapted for multivariate/multidimensional signals, broadening its application to fluid dynamics. In conjunction with other common techniques in fluid dynamics, such as triple decomposition and power spectral density analysis, OVMD is used to analyze the transient process of separated flow.
The separated flow over a wall-mounted bump geometry is then studied under steady laminar inflow conditions and with a harmonic oscillation of the inflow stream. The harmonic oscillation models the passage of the wakes arriving at an LPT blade from the vanes of the previous stator stage. Three inflow oscillation frequencies and three amplitudes are examined, with frequencies comparable to wake-passing frequencies in practical LPTs and amplitudes ranging from $1%$ to $10%$ of the inflow total pressure. Three distinct flow scenarios are identified. In the first scenario, the flow behaves similarly to the steady-inflow case but with a slow temporal modulation of the amplitude of the KH vortices that follows the inflow changes. In the second scenario, KH vortex shedding is intermittently replaced by the formation and release of a large vortex cluster during part of the inflow period. The third scenario consists solely of the periodic formation and release of vortex clusters, resulting in a consistent reduction of the separated flow length over the entire period compared to the steady-inflow case.
Following these findings, two active control strategies that attempt to promote the dynamics of Scenario 3 in the absence of inflow oscillations are analyzed. Active control is implemented through periodic blowing and suction boundary conditions around the summit of the bump. Two strategies are considered: Strategy I employs continuous periodic blowing and suction, while Strategy II introduces an inactive period or duty cycle between blowing and suction phases. Notably, Strategy II, successfully replicates Scenario 3, revealing an interesting novel strategy to reduce the overall length of the separated flow region and its detrimental impact on aerodynamics.
RESUMEN
La separación del flujo sobre los perfiles aerodinámicos de la turbina de baja presión (LPT) es un problema crítico que limita el rendimiento de los motores turbofán de alto índice de derivación. A grandes altitudes y bajo alta carga, la baja densidad y los gradientes de presión adversos favorecen la separación de la capa límite en el lado de succión de los álabes de la LPT. Comprender esta separación es clave para mejorar el rendimiento mediante el control activo del flujo.
Esta tesis investiga el comportamiento físico del flujo separado sobre una geometría simplificada de protuberancia montada en una pared, que imita la separación en el lado de succión de un perfil aerodinámico de una LPT. Se emplean simulaciones numéricas directas (DNS) con el Método de Elementos Espectrales Discontinuos de Galerkin (DGSEM) para analizar el efecto de la oscilación armónica de entrada y un chorro sintético 2D en condiciones de flujo laminar y turbulento. Se opta por DNS en lugar de simulaciones de Grandes Vórtices (LES) o simulaciones promediadas por Reynolds (RANS) para evitar errores de modelado de la turbulencia.
Se desarrolla una nueva técnica de descomposición modal para analizar el flujo y descomponer eventos transitorios y localizados en el tiempo. Este método amplía la textit{Variational Mode Decomposition} (VMD) al formular un problema variacional que minimiza el ancho de banda de los modos descompuestos. Además, incorpora condiciones de ortogonalidad débil para evitar la duplicación de modos y la interferencia destructiva, mejorando la robustez. Denominado textit{Orthogonalized Variational Mode Decomposition} (OVMD), este enfoque se adapta a señales multivariadas y multidimensionales, ampliando su aplicación a la dinámica de fluidos. Combinado con técnicas como la descomposición triple y el análisis de densidad espectral de potencia, OVMD permite un análisis detallado del proceso transitorio del flujo separado.
El flujo separado sobre la geometría de protuberancia montada en una pared se estudia bajo condiciones de flujo de entrada laminar estacionario y con una oscilación armónica del flujo de entrada. La oscilación armónica modela el paso de estelas que llegan a una pala de LPT desde los álabes de la etapa de estator anterior. Se examinan tres frecuencias de oscilación del flujo de entrada y tres amplitudes, con frecuencias comparables a las frecuencias de paso de estela en LPTs reales y amplitudes que varían entre el 1% y el 10% de la presión total del flujo de entrada. Se identifican tres escenarios de flujo distintos. En el primer escenario, el flujo se comporta de manera similar al caso de flujo estacionario, pero con una modulación temporal lenta de la amplitud de los vórtices KH que sigue los cambios del flujo de entrada. En el segundo escenario, la generación de vórtices KH es reemplazada intermitentemente por la formación y liberación de un gran cúmulo de vórtices durante parte del período del flujo de entrada. El tercer escenario consiste únicamente en la formación y liberación periódica de cúmulos de vórtices, lo que da lugar a una reducción constante de la longitud del flujo separado en todo el período en comparación con el caso de flujo estacionario.
A partir de estos hallazgos, se analizan dos estrategias de control activo que intentan promover la dinámica del Escenario 3 en ausencia de oscilaciones del flujo de entrada. El control activo se implementa mediante condiciones de frontera de soplado y succión periódicos alrededor de la cima de la protuberancia. Se consideran dos estrategias: la Estrategia I emplea un soplado y succión periódicos continuos, mientras que la Estrategia II introduce un período inactivo o ciclo de trabajo entre las fases de soplado y succión. Cabe destacar que la Estrategia II logra replicar con éxito el Escenario 3, revelando una estrategia novedosa para reducir la longitud total de la región de flujo separado y su impacto negativo en la aerodinámica. Read More
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