Passive Flow Control in an S-duct Intake

Abstract

The performance of aircraft depends to a great deal on engine behaviour, which is itself governed by that of its major components, including the compressor. Compressor efficiency is highly dependent on the flow distribution with which it is presented, since cyclic loading can cause fatigue, compressor rotating stall and/or engine surge. On some aircraft, where there is an embedded engine, or where propellers or gearbox require offset inlets, an S-duct is used. S-ducts direct and diffuse free-stream flow to the conditions required by the compressor. In this thesis an S-duct with operationally representative diffusion, offset and aspect ratio was chosen for an inlet Mach number of 0.8. The baseline S-duct was adapted with passive flow control, in the form of tubercles, along both inner radii of the S-trajectory. The tubercle profi le has an asymmetric amplitude and a wavelength of 7% of the exit diameter, chosen based on previous successful work on S-ducts and airfoils, noting improved performance to reduced tubercle size. Experimental testing was performed in a new transonic wind tunnel on the baseline duct, a previously tested flow control duct and new flow control duct. Surface static pressure measurements along the duct meridian showed separation of flow on both inner radii, in the baseline duct. The first inner radius separation was reduced in size and the second was eliminated with the implementation of flow control. Total and static pressure were measured at the Aerodynamic Interface Plane with a traversing five-hole AeroProbe. The total pressure recovery and total pressure distortion coefficients revealed performance improvement in the flow control ducts. Exit swirl reduction with the tubercled S-ducts suggest that secondary flows were less intense in the flow control ducts. The baseline results were compared computationally, and an automation system was created for use in future numerical campaigns. The computational work compared in trends but not magnitude to the experimental work. The k – w SST turbulence model was used and was more successful than previous attempts at predicting separation points. Implementation of the automation system with this turbulence model is a solid step towards automating and optimizing S-duct design. Of significance, the tubercle geometry used in the flow control duct presented in this thesis was successful in mitigating or eliminating separation in an operationally representative S-duct in the transonic regime.

La performance des avions dépend en grande partie des moteurs, et les performances des groupes motopropulseurs sont elles-mêmes régies par celles de leurs principaux composant, dont le compresseur. Le rendement du compresseur dépend fortement du champ de vitesse de l'écoulement entrant, car un chargement cyclique peut provoquer la fatigue, le décrochage et/ou le pompose du moteir. Sur certains appareils on le moteur intégré dans le fuselage du compressor, ou lorsque les hélices ou la boîte de vitesses imposent des prises d'air décalées, un conduit sinueux est employé. Les conduits sinueux diffusent et dirigent l'écoulement pour obtenir les conditions d'entrée requises par le compresseur. Dans ce mémoire, un conduit sinueux diffusant un décalage et un rapport de cadre représentatifs des conditions d'opération sont choisis pour un nombre de Mach à l'entrée de 0,8. Le conduit de référence a été adapté avec une commande passive de l'écoulement, sous la forme de tubercules, le long des deux rayons intérieurs de la trajectoire de la chicane. Le profil de tubercule avec un rapport d'amplitude asymétrique et une longueur d'onde égale à 7% du diameter de sortive a été choisi basé sur des travaux antérieurs sur les conduits en S, et de nouveaux travaux sur les profils aérodynamiques montrant une meilleure performance avec des tubercules de taille réduites. La référence, un conduit avec une commande passive de l'écoulement précédemment testé et un nouveau conduit ayant une commande d'écoulement différentes ont été testés dans une nouvelle souérie transsonique. Les mesures de pression statique à la surface le long du méridien du conduit ont montré une séparation de l'écoulement sur les deux rayons intérieurs pour le conduit de référence. Les régions de rayon intérieur, le premier et le second, ont été respectivement éliminées et réduites en taille avec la mise en œuvre de la commande de l'écoulement. Les pressions, totale et statique, ont été mesurées au plan d'interface aérodynamique avec une AeroProbe à cinq trous balayant le plan. Les coefficients de rendement et de distorsion de la pression totale ont révélé une amélioration des performances dans les conduits à commande passive de l'écoulement. La réduction du tourbillon de sortie avec les conduits sinueux tuberculés suggère que les écoulements secondaires étaient moins forts dans les conduits à commande passive de l'écoulement. Les résultats de base ont été comparés avec une simulation numérique, et un système d'automatisation du processus a été créé pour les simulations numériques futures. Les tendances des travaux numériques sont comparables à celles de résultats expérimentaux mais les valeurs absolues ne le sont pas. Le modèle de turbulence SST k - w a été utilisé et s'est avéré plus efficace que les tentatives précédentes pour prédire les points de séparation. La mise en œuvre du système d'automatisation avec ce modèle de turbulence constitue un progrès dans l'automatisation et l'optimisation de la conception des conduits sinueux. Plus précisément, la géométrie du tubercule utilisée dans le conduit avec à commande de l'écoulement présenté dans cette thèse a réussi à atténuer ou à éliminer la séparation dans un conduit sinueux soumis à des conditions d'opérations représentatives dans le régime transsonique.