CFD analysis of a nacelle at high angle of incidence

Nacelles design is a complex process which must fulfill geometrical constraints and engine requirements. A fundamental requirement is the homogeneity of the flow in front of the fan which is quantified by the total pressure distribution in this plane. A critical situation is when the airplane on the ground rotates during the take off with the nacelle at high angle of attack. The risk of the flow separation at the intake is highly probable. Understanding the physics of such flows is a priority, and high fidelity Computational Fluid Dynamics capabilities can be the instrument. CFD solvers provides a cost-effective solutions of the flow field in a reasonable time. It is an accurate alternative to scale model testing, with variations on the simulation being performed quickly, offering obvious advantages. The main aim of the present pro ject is the understanding of the separation phenomenon which take place inside a nacelle at high angle of attack using a numerical approach by solving the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations in combination with eddy-viscosity turbulence models. The commercial code CFX, which uses the finite volume method to solve the RANS equations, has been employed. The process of performing a single CFD simulation duly described. The geometry definition with CATIAv5 and the mesh generation with ICEM are presented. Block structured hexahedral mesh has been used due to its high accuracy in solving viscous problem. Simulations for different design configuration and boundary conditions has been carried out for both incompressible and compressible steady flow. At high angle of incidence the flow approaching the nacelle lip decelerates until the stagnation point and then accelerates inside the inlet. The flow detaches under the effect of strong pressure gradient and far inside the nacelle it reattaches generating a separation bubble. This phenomenon generate a heterogeneous total pressure distribution, called distortion. Results show that the distortion is influenced by the mass flow of the nacelle.

La progettazione della gondola o nacelle è un processo complesso che deve soddisfare vincoli geometrici e requisiti motoristici. Un requisito fondamentale è l’omogeneità del fluido all’entrata del motore in prossimità della ventola, questa omogeneità è quantificabile dal livello di distorsione del campo di pressione totale in questo piano. Una situazione critica si presenta quando l’aeromobile si trova a terra in fase di decollo, con la nacelle ad un angolo di attacco elevato. Il rischio di separazione del flusso all’ingresso della Nacelle è altamente probabile. Studiare la fisica del flusso d’aria in tale situazione è fondamentale, e lo strumento giusto può essere rappresentato dalla fluidodinamica computazionale (CFD). I risolutori CFD sono in grado di dare soluzioni del campo di moto in maniera efficiente e in tempi ragionevoli. Rappresentano una valida alternativa alle prove su modelli in galleria del vento, soprattuto quando è necessario variare velocemente la configurazione oggetto della prova, offrendo così evidenti vantaggi. Tale tesi ha come principale obiettivo la comprensione del fenomeno della separazione che avviene all’interno della nacelle ad angoli di attacco elevati usando un approccio numerico risolvendo le equazione mediate di Navier- Stokes (RANS) con modelli di turbolenza viscosa k-w SST. Abbiamo utilizzato CFX, un software commerciale che impiega un metodo a volumi finiti per risolvere le RANS. Il proparazione di una generica simulazione CFD è completamente descritta, iniziando dalla definizione del modello geometrico in CATIAv5 e la generazione della griglia di calcolo con ANSYS ICEM. Sono state utilizzate griglie a celle esaedriche definite a blocchi al fine di sfruttare la loro elevata precisione nel risolvere problemi viscosi. Sono state eseguite simulazioni per diverse configurazioni e condizioni al contorno, in flusso incomprimible stazionario e in flusso comprimibile stazionario. Ad elevati angoli di incidenza il flusso che si avvicina al bordo di attacco della nacelle decelera fino al punto di ristagno e successivamente accelera all’interno della presa. Il flusso separa sotto l’effetto di un forte gradiente di pressione ben all’interno della nacelle e riattacca creando una bolla di separazione. Questo fenomeno genera una distribuzione di pressione totale eterogenea, chiamato distorsione, presente sul piano virtuale che rappresenta la ventola. I risultati mostrano che la distorsione è influenzata del flusso di massa che attravera la nacelle.