Evaluation of the Harmonic Balance Method for Specific Tasks in the Design Process of Multistage Compressors

In the scope of the presented master thesis, the Harmonic Balance frequency domain approach is evaluated on a multistage high pressure research compressor. The model includes specific advanced features such as casing treatments and cavities. The research pursues two main focuses. As a first objective, the importance of an unsteady representation of the turbomachinery flow is assessed by comparing the results obtained trough unsteady time-integrated and steady-state simulations. The quality and impact of the unsteady flow phenomena are estimated using two-dimensional Fourier analysis, studying both the main gas path and the secondary airflows. The second objective of the work regards the evaluation of the Harmonic Balance frequency domain method in obtaining a reduced order description of the unsteady problem. Two configurations of the solver are investigated, implementing either a temporal-averaged or an unsteady description of the turbulence. When adopting Harmonic Balance with an unsteady turbulence, the gap between the steady-state and the unsteady time domain evaluations of the machine performance parameters is reduced by over 80\%. In addition, with respect to the steady-state solution, a significant improvement in the assessment of the local flow phenomena is observed. From the research results, Harmonic Balance appears to be a promising solver, capable of accurately reproducing the impact of the unsteady row interactions on key performance quantities in aeronautical compressor design.

Nell'ambito della presente tesi di laurea magistrale, l'approccio in frequenza Harmonic Balance viene applicato allo studio di un compressore multi stadio di alta pressione. Il modello include volumi di flusso accessori, come i casing treatments e le cavities. La ricerca si concentra su due aspetti principali. Come primo obiettivo, viene valutata l'importanza di una rappresentazione instazionaria del flusso all'interno della turbomacchina, confrontando i risultati ottenuti con simulazioni stazionarie e instazionarie nel dominio del tempo. Il campo di flusso instazionario viene inoltre analizzato in frequenza attraverso un'analisi di Fourier bidimensionale, studiando non solo il condotto principale, ma anche i volumi di flusso secondari. Il secondo obiettivo della ricerca riguarda una valutazione delle prestazioni del metodo Harmoinc Balance nell'ottenere una descrizione ridotta del problema instazionario. Nella ricerca vengono studiate due distinte configurazioni del metodo numerico, implementando una differente risoluzione della turbolenza, instazionaria o mediata nel tempo. Adottando Harmonic Balance con una descrizione instazionaria della turbolenza, il divario tra le stime stazionarie e instazionarie dei parametri operativi della macchina viene ridotto di oltre l'80\%. Rispetto alla previsione stazionaria, si riscontra inoltre un miglioramento significativo nella risoluzione delle caratteristiche locali del flusso. Dai risultati della ricerca, Harmonic Balance si dimostra essere un approccio promettente, in grado di riprodurre accuratamente l'impatto delle interazioni instazionarie tra le schiere palettate su parametri chiave nella progettazione di compressori aeronautici.