Indagine mediante Particle Image Velocimetry di una schiera di turbina di bassa pressione: tecniche di misura e procedure di elaborazione dei dati

Abstract

Questa tesi presenta un'indagine sperimentale condotta mediante tecnica Particle Image Velocimetry presso la galleria del vento C3 del von Karman Institute for Fluid Dynamics. La campagna sperimentale si concentra sul flusso a valle di una schiera di turbina di bassa pressione e indaga l'evoluzione del flusso al variare del numero di Mach isoentropico di riferimento. Si sono analizzate cinque condizioni di flusso: M=0.8, M=0.93, M=1, M=1.1 e M=1.2$. Dopo una breve introduzione storica alle tecniche ottiche di misura e una descrizione della tecnica PIV, con particolare attenzione alle principali sfide applicative che essa comporta quando impiegata in turbomacchine, verranno presentati gli elementi teorici necessari a interpretare i risultati ottenuti e a comprenderne il processo di acquisizione. In particolare, si descriveranno le tecniche di pre-processamento delle immagini grezze acquisite, si approfondirà l'algoritmo di cross-correlazione impiegato per il calcolo dei campi di velocità, si introdurranno le principali grandezze fluidodinamiche analizzate e si descriverà la tecnica di post-processamento Proper Orthogonal Decomposition. Si procederà quindi con la descrizione della galleria del vento C3 e del setup sperimentale, ponendo particolare attenzione ai parametri di acquisizione selezionati e alla calibrazione del sistema ottico. Verrà infine descritta la procedura di elaborazione delle immagini e l'algoritmo di cross-correlazione impiegato per ottenere i campi di velocità a partire dalle immagini acquisite. La discussione dei risultati si aprirà con l'analisi di incertezza delle misure e lo studio della convergenza dei principali indicatori statistici, al fine di valutare l'affidabilità delle misure e l'adeguatezza del numero di campioni acquisiti. Verranno quindi presentate le mappe medie di numero di Mach isoentropico e angolo di yaw, di vorticità e di intensità di turbolenza. Infine, verrà presentata l'analisi POD sulla scia della schiera.

This thesis presents an experimental investigation conducted by means of Particle Image Velocimetry in the C3 wind tunnel at the von Karman Institute for Fluid Dynamics. The experimental campaign focuses on the flow downstream of a low pressure turbine cascade and aims to investigate the evolution of the flow as the reference isentropic Mach number is varied. In particular, five flow conditions were analyzed: M = 0.8, M = 0.93, M = 1, M = 1.1, and M = 1.2. Following a brief historical introduction to optical measurement techniques and a description of the PIV technique, with particular attention to the main challenges when it is applied to turbomachinery, the theoretical elements necessary to interpret the obtained results and understand the acquisition process are presented. In particular, the image pre-processing techniques are described, the cross-correlation algorithm employed to compute the velocity fields is examined in detail, the main fluid-dynamic quantities are introduced, and the Proper Orthogonal Decomposition post-processing technique, used to investigate the wake downstream of the cascade, is presented. The C3 wind tunnel facility is then described, together with the experimental setup, with particular attention to the selected acquisition parameters and to the optical system calibration. Finally, the image processing procedure and the cross-correlation algorithm are described. The discussion of results opens with the uncertainty analysis of the measurements and the study of the convergence of the main statistical indicators, in order to assess the reliability of the measurements and the adequacy of the number of acquired samples. The mean flow quantities (isentropic Mach number and yaw angle), the vorticity of the velocity field, and the turbulence intensity are then presented. Finally, the POD analysis, conducted on a b-region of the flow field with the aim of characterizing the phenomena affecting the cascade wake, is discussed.