Preliminary CFD validation of external and mixed compression supersonic intakes

As the supersonic aeronautical industry is growing, the research currently in place has reached an inflation point. After the Concorde commercial breakthrough, very few competitors or alternatives arose within this market. In contrast to ramjet or scramjet applications, the Concorde propulsion system was able to get to supersonic speeds with no air-launching, covering the entire flight envelope from take-off to landing. Nevertheless, a better understanding of the complex phenomena taking place throughout the propulsive apparatus at supersonic speeds must be sought and ground tests do not allow for a complete picture due to limited experimental diagnostics and operating constraints, in addition to the operating cost. CFD has emerged as a powerful tool in order to complement experimental ground- and flight testing as it provides a full flow field picture. With this in mind, this thesis considers a commercial CFD software to study supersonic air intakes, crucial in conditioning the external airflow heading to the engine bay. Computational simulations alongside comparison with real test data for validation, are provided in this study. As a first step, a preliminary study was conducted to assess the accuracy of the commercial CFD software. In particular, the supersonic flow-intake interaction was studied with a simplified geometry employing different turbulence models. Results showed a good overall agreement with the reference experimental data and the shockwave pattern was correctly reproduced, more specifically when using the RNG k-epsilon turbulence model. Then, the study focused on a geometry resembling the Concorde inlet, i.e., a supersonic intake with a bleed plenum. A parametric investigation was conducted varying both the bleed and the engine face exit sections in order to investigate different intake working conditions. Results confirmed the ability of the CFD software to simulate supersonic compressible flows even under the most adverse conditions, when boundary layer separation and complex shock-shock interactions take place. The aim is to introduce CFD as a reliable tool in this environment and provide a solid reference for other studies, along with the proposal of a validated geometry for future developments. CFD is key in new technological developments and has the potential to make the aeronautical industry more accessible to everyone.

Nonostante la costante crescita dell’industria aeronautica in campo supersonico, la ricerca in tale ambito sembra aver raggiunto un punto di inflazione. A seguito del successo del Concorde, in pochi si sono proposti come validi competitor o hanno avanzato alternative altrettanto efficaci. A differenza di tecnologie come scramjet o ramjet, il Concorde raggiungeva velocità supersoniche in completa autonomia senza un vettore che lo accelerasse a tali velocità, pertanto coprendo l’intero inviluppo di volo dalla fase di decollo a quella di atterraggio. Nonostante ciò, risulta necessario perseguire uno studio più ampio per comprendere affondo ciò che si verifica a velocità supersonica nel complesso sistema propulsivo ed, in tal senso, le prove effettuate a terra non rappresentano la migliore soluzione dati i costi elevati e una manutenzione degli impianti non sempre accessibile. La fluidodinamica computazionale (CFD) si propone come un valida opzione al fine di integrare eventuali test effettuati a terra, ed in volo, data la sua capacità di fornire un quadro più completo. Pertanto, questo lavoro di tesi considera un software CFD commerciale per lo studio di prese d’aria in regime supersonico, necessarie al pre-trattamento dell’aria esterna prima dell’ingresso motore. In questo studio vengono trattate simulazioni numeriche in parallelo ad un lavoro bibliografico di confronto con modelli realmente esistenti. In una prima analisi, è stato condotto uno studio al fine di valutare l’effettiva accuratezza del software. Nel particolare, è stata analizzata l’interazione flusso-presa d’aria per una geometria semplificata utilizzando vari modelli di turbolenza. I risultati ottenuti si sono dimostrati in accordo con i dati sperimentali di riferimento ed il complesso schema di onde d’urto è stato correttamente riprodotto, soprattutto nel caso in cui è stato utilizzato il modello di turbolenza RNG k-ϵ. Successivamente, l’analisi si è concentrata su una geometria simile a quella del Concorde, ossia una presa dinamica supersonica con sistema di spillamento. E’ stato condotto uno studio parametrico facendo variare le sezioni d’uscita del sistema di spillamento e dell’interfaccia motore, in modo da esaminare le varie condizioni di funzionamento della presa. L’esito di tale analisi ha confermato la predisposizione del software CFD all’analisi di flussi comprimibili in regime supersonico anche nelle condizioni più sfavorevoli, ossia nonostante separazione di strato limite e complesse interazioni tra onde d’urto. L’obiettivo è di introdurre la CFD come uno strumento affidabile in questo campo e fornire un riferimento per altri studi, oltre a proporre un modello geometrico per ulteriori indagini. La fluidodinamica computazionale risulta fondamentale nell’implementazione di nuove tecnologie e nel rendere l’industria aeronautica più accessibile per tutti.