Ottimizzazione tramite tecnica adjoint delle prestazioni di componenti per compressori radiali da sovralimentazione motore

Abstract

La tesi presenta l'ottimizzazione di un compressore radiale per applicazioni automobilistiche ad alte prestazioni, condotta attraverso l'analisi numerica (CFD) delle perdite nei singoli componenti dello stadio e l'ottimizzazione di forma della voluta con il metodo dello stato aggiunto (Adjoint), con l'obiettivo di migliorare l'efficienza complessiva e ampliare il campo operativo del compressore. Sono state eseguite simulazioni RANS stazionarie comprimibili con modello k-ω SST su tre regimi di rotazione (N1, N2, N3) per ricavare i coefficienti di perdita χ di girante, diffusore e voluta. L'analisi mostra che la voluta diventa il componente dominante nelle perdite alle portate elevate e ai regimi più alti. La validazione iniziale del metodo Adjoint su un condotto curvo a 160° ha dimostrato l'efficacia dell'approccio: la soluzione ottimale selezionata dal fronte di Pareto ha conseguito una riduzione della caduta di pressione totale pari al 54,6%. Successivamente, l'applicazione ti tale approccio alla voluta nel regime operativo P3 e la successiva convalida mediante simulazioni dirette in Fluent hanno restituito una riduzione della ΔPt dell'8,2% con la seconda iterazione di design, un risultato inferiore rispetto all'obiettivo prefissato del 15% come valore target. Sullo stadio completo la ΔPt di voluta e diffusore si riduce dell'8,8% e il rapporto di pressione aumenta dell'1,67%, senza penalizzare il punto di massimo rendimento. Il lavoro discute infine i limiti di linearità delle sensitività Adjoint e le strategie per contenerli.

This thesis presents the optimization of a centrifugal compressor for high-performance automotive applications, conducted via computational fluid dynamics (CFD) loss analysis of the individual stage components and shape optimization of the volute using the adjoint state method, aiming to enhance overall efficiency and widen the compressor operating range. Steady compressible RANS simulations with the k-ω SST turbulence model were performed across three rotational speeds (N1, N2, N3) to evaluate the loss coefficients χ of the impeller, diffuser, and volute. The analysis demonstrates that the volute becomes the dominant loss-generating component at high flow rates and higher rotational speeds. Initial validation of the adjoint method on a 160° curved duct proved the effectiveness of the approach: the optimal solution selected from the Pareto front achieved a 54.6% reduction in total pressure drop. Subsequently, applying this approach to the volute at operating point P3—followed by direct validation using Fluent simulations—yielded an 8.2% reduction in ΔPt with the second design iteration, falling short of the targeted 15% reduction. On the complete stage, the combined ΔPt of the volute and diffuser decreased by 8.8%, and the pressure ratio increased by 1.67% without penalizing peak efficiency. Finally, this work discusses the linearity limits of adjoint sensitivities and strategies to mitigate them.