CFD analysis of a UHBPR turbofan with a variable area nozzle

Modern commercial aviation is urged by international institutions to reduce emissions as a method to combat climate change. The pursuit of a more efficient aircraft engine has led to the development of Ultra High Bypass Ratio (UHBPR) turbofans. Challenges in the design stem from the necessity of ensuring the correct margin of safety on all mission legs. To avoid fan surge at Take-Off, the application of a Variable Area bypass Nozzle (VAN) has been proposed and verified in the literature several times. In this thesis, the impact of VAN applications on engine performance is studied by employing a CFD simulations. A total of seven mission legs are investigated, with VAN openings ranging from 90% to 120% of the baseline area. The integration of engine off-design performance is done directly into the CFD solver by employing an iterative cycle. The data collected from the simulations show that the use of the VAN is beneficial in terms of thrust and efficiency. High-speed mission legs such as Cruise, Top of Climb, and Descent keep their respective optimum efficiency at nominal VAN opening; low-speed mission legs show greater benefits in increasing VAN area. Take-Off and Sideline experience their minimum fuel consumption at 110% and 108% of the nozzle opening. The largest reduction in specific fuel consumption for Take-Off is 3%, while for Sideline it is 3.6%. Across all mission legs engine Net Thrust experiences an increase with the opening of the VAN; Take-Off and Sideline have peak performance at 110% and 108%, respectively, while all other mission legs have a monotonic quasi-linear trend with the VAN area.

La rapida crescita dell'aviazione commerciale ha portato diverse istituzioni internazionali a chiedere metodi di riduzione delle emissioni al fine di contrastare il cambiamento climatico. La ricerca di un motore più efficiente per l'aeronautica civile sta portando allo sviluppo di turbofan a rapporto di bypass ultraelevato. Le sfide nella realizzazione di queste macchine derivano principalmente dalla necessità di garantire il corretto margine di sicurezza in tutte le fasi di volo. Per evitare instabilità del Fan in fase di decollo, è stata proposta e verificata in letteratura l'applicazione di un ugello del condotto di bypass a geometria variabile. In questa tesi l'impatto dell'applicazione del VAN su differenti parametri di prestazione del motore è studiato mediante l'uso di un approccio CFD. Sono stati esaminati complessivamente sette segmenti di volo con un'apertura dell'ugello che varia nell'intervallo da 90% a 120% dell'area di base. L'integrazione tra prestazioni delle turbomacchine interne al motore e la simulazione CFD è realizzata tramite l'uso di un ciclo iterativo, direttamente nel risolutore di fluidodinamica. I risultati delle simulazioni comprovano l'utilità dell'uso del VAN, confermando ciò che era stato già pubblicato nella letteratura scientifica. Fasi di missione ad alta velocità come Cruise, Top of Climb e Descent mantengono la loro efficienza massima all’apertura del VAN corrispondente alla condizione nominale. Le fasi di missione a bassa velocità, invece, mostrano un maggiore beneficio dall’incremento dell’area del VAN: per Take-Off e Sideline si raggiunge la condizione di minimo consumo di carburante rispettivamente al 110% e 108% dell'apertura dell'ugello. La riduzione del consumo specifico per queste due segmenti di volo è del 3% e 3.6% rispettivamente. Per ciascuna fase di volo, la spinta netta del motore beneficia, con andamento lineare, dell’incremento di area del VAN; per Take-Off e Sideline si raggiunge un picco al 110% e al 108%, che corrisponde ad un aumento del 4% e 6%. Il resto dei segmenti di volo ha il picco di spinta alla massima apertura dell’ugello.