Application of body force modeling to aeroengine fan blade design

In connection with the constant strife for commercial aeronautical engines performances improvement, an investigation of an alternative fluid dynamic simulation model for fan blade design has been performed. A study has been carried out regarding the application of body force modeling to fan blades shape optimization, looking for an efficient and reliable design tool, able to replace the state of the art expensive 3D simulation programs. The referred model was analyzed for the NASA Rotor 67 testcase in order to evaluate the computational time, the accuracy and the sensibility to blade design variables with respect to other commonly used high fidelity methods. An almost completely automated design cycle has been implemented, allowing the user to evaluate different geometries and design solution by writing a single input file. From the results it emerges that the overall performance of the stage predicted by BFM are slightly different from what can be obtained with higher fidelity computations. Moreover the obtained computation time reduction factor is greater than 3 orders of magnitude. On the other hand the model fails to represent the local 3D nature of the flow across the blade region, not being able to capture the supersonic behaviour induced by the physical blade. This and the stratification of results result in the significant discrepancies between design variables sensitivities, making the shape optimization not feasible at the moment. The conclusion is that the proposed model constitutes a reasonable preliminary design tool for supersonic fan, but not accurate enough to be applied in shape optimization yet. Despite this limitation the research was able to delineate the major areas of development for future studies on the model.

Il settore commerciale aeronautico e' costantemente alla ricerca di aumentare le performance dei motori per aeromobili. A tal proposito, in questa tesi, e' stato analizzato un modello di CFD alternativo per il design di pale nei turbofan. Nel presente lavoro e' stata studiata la possibile applicazione del 'body-force model' (BFM) nell'ottimizzazione di design per pale di fan. Lo scopo e' quello di ottenere uno strumento di design accurato e veloce, che possa sostituire le tipiche metodologie di simulazione fluidodinamica dall'elevato costo computazionale. Il modello citato e' stato analizzato nel caso del Rotor67 della NASA, al fine di valutare il tempo computazionale, l'accuratezza e la sensibilita' alle variabili di design rispetto a quanto ottenibile con le simulazioni classiche. Seguendo un'ottica di design, nel presente studio, e' stato costruito un ciclo quasi completamente automatizzato, che permettesse di valutare molteplici geometrie e soluzioni a partire da un singolo file di input. Dai risultati ottenuti si evince che le performance generali predette tramite BFM si discostino di poco da quanto si ottenga con classici metodi piu' accurati. Inoltre il tempo di calcolo risulta ridursi di piu' di 3 ordini di grandezza. Purtroppo pero' il modello non appare capace di catturare la complessa natura tridimensionale del flusso, in quanto non e' in grado di riprodure il corretto comportamento supersonico indotto dalla pala. Questo, unito anche alla stratificazione del flusso riscontrata, porta a differenze significative nella sensibilita' alle variabili di design, rendendo al momento infattibile procedere all'ottimizzazione della geometria. Dalla ricerca risulta che il modello proposto costituisca un ragionevole strumento di design preliminare, ma non sia abbastanza accurato per essere applicato in processi di ottimizzazione. Il lavoro e' tuttavia stato utile a determinare i punti di forza e le limitazioni dell'attuale implementazione, delineando le basi per studi futuri.