Análisis de simulaciones de flujo no estacionario en turbomáquinaria con entropía de mezcla

Resumen La predicción de cargas aerodinámicas no estacionarias es un problema central durante el diseño de turbomáquinas. Durante los últimos 20 años, se ha demostrado que los métodos de balance armónico son altamente eficientes para esta tarea. Sin embargo, una configuración óptima en términos de costo de CPU para una simulación de balance armónico requiere conocimiento de los armónicos relevantes. En el caso de una sola fila de palas con una perturbación periódica, esta cuestión equivale al problema clásico de convergencia armónica, un problema que se debe únicamente a la no linealidad de la física del flujo no estacionario. En contraste, para configuraciones de múltiples etapas, la elección de armónicos se complica aún más por el hecho de que las interacciones de las perturbaciones con las filas de palas pueden dar lugar a un vasto espectro de armónicos que posiblemente tengan contenido modal importante, por ejemplo, los modos de Tyler–Sofrin. El objetivo de este trabajo es mostrar que la entropía de mezcla atribuida a modos circunferenciales de un armónico dado puede servir como una métrica de perturbación sobre la cual se podría derivar un criterio para incluir o no un determinado armónico. La idea se basa en la observación de que la entropía debida a la mezcla temporal y circunferencial del flujo en una interfaz de filas de palas puede descomponerse, hasta términos de tercer orden, en contribuciones independientes de diferentes frecuencias y órdenes de modo. Para un resultado de flujo de balance (y estacionario) armónico dado, se muestra que la entropía de mezcla atribuida a modos que simplemente se mezclan, en lugar de resolverse en la fila vecina, es un indicador natural de una posible inexactitud. Presentamos características importantes de la entropía de mezcla para perturbaciones no estacionarias, en particular, una relación cercana con la potencia sonora para modos acústicos. El problema de selección de modos en una configuración de compresor de 1.5 etapas sirve como un ejemplo práctico para ilustrar nuestros hallazgos.