Transonic flow features in a nozzle guide vane passage

The entropy noise in modern engines is mainly originating from two types of mechanisms. First, chemical reactions in the combustion chamber lead to unsteady heat release which is responsible of the direct combustion noise. Second, hot and cold blobs of air coming from the combustion chamber are advected and accelerated through turbine stages, giving rise to the so-called entropy noise (or indirect combustion noise). In the present work, numerical characterization of indirect combustion noise of a Nozzle Guide Vane passage was assessed using three-dimensional Large Eddy Simulations. The study was conducted on a simplified topology of a real turbine stator passage, for which experimental data were available in transonic operating conditions. First, a baseline case was reproduced to validate a numerical finite volume solver against the experimental measurements. Then, the same solver is used to reproduce the effects of incoming entropy waves from the combustion chamber and to characterize the additional generated acoustic power. Periodic temperature fluctuations are imposed at the inlet, permitting to simulate hot and cold packets of air coming from the unsteady combustion. The incoming waves are characterized by their characteristic wavelength; therefore, a parametric study has been conducted varying the inlet temperature of the passage, generating entropy waves of greater wavelengths. The study proves that the generated indirect combustion noise can be significant. Moreover, the generated indirect combustion noise increases as the wavelength of the incoming disturbances increases. Finally, the present work suggests that, in transonic conditions, there might be flow features which enhance the indirect combustion noise generation mechanism.

Nei motori areonautici moderni, il rumore associato alla grandezza termodinamica entropia ha origine principalmente da due meccanismi. Per prima cosa, le reazioni chimiche all’interno della camera di combustione danno origine ad un rilascio di un flusso di calore instazionario, il quale è responsabile della generazione del rumore di combustione diretto. Inoltre, porzioni di aria calda e fredda provenienti dalla camera di combustione sono accelerate attraverso i vari stadi della turbina, dando origine al soprannominato rumore entropico (o altresí noto come rumore di combustione indiretto). Nel presente lavoro, la caratterizzazione numerica del rumore di combustione indiretto attraverso le pale guida dello statore di una turbina è stata effettuata grazie all’utilizzo di simulazioni fluidodinamiche LES (Large Eddy Simulations). Lo studio è stato condotto su una geometria semplificata di un reale statore, per il quale erano disponibili i dati sperimentali relativi a condizioni operative transoniche. All’inizio, un caso di riferimento è stato riprodotto mediante le simulazioni numeriche in modo da validare un solutore ai volumi finiti attraverso un confronto con i dati sperimentali. In seguito, lo stesso solutore è stato utilizzato per riprodurre gli effetti di un sistema di onde di entropia provenienti dalla camera di combustione e per caratterizzare un’eventuale generazione di potenza acustica addizionale rispetto al caso base di riferimento. Fluttuazioni periodiche di temperatura sono state imposte all’ingresso del dominio computazionale, permettendo di simulare masse di aria calda e fredda derivanti dalla combustione instazionaria. Uno studio parametrico è stato effetuato variando la lunghezza d’onda delle fluttuazioni, tramite l’imposizione di temperature di ingresso differenti. Lo studio dimostra che l’intensitá del rumore di combustione indiretto puó essere significativa e puó aumentare qualora aumentino le lunghezze d’onda delle fluttuazioni. Infine, il presente lavoro suggerisce che, in condizioni transoniche, possano esserci caratteristiche della corrente fluidodinamica che favoriscano la generazione del rumore di combustione indiretto.