Sviluppo di una procedura avanzata di analisi dati per simulazioni ad alta fedeltà di pale di turbine aeronautiche

Abstract

L’ottimizzazione delle pale delle turbine di bassa pressione per applicazioni aeronautiche in condizioni di flusso instazionario, con lo scopo di migliorare l’efficienza aerodinamica delle macchine, è un argomento di rilevante interesse industriale e di ricerca. Per effettuare questa ottimizzazione è necessario conoscere le differenti fonti di perdita che si generano nelle varie zone della pala e i fenomeni che le causano. In particolare, in regime instazionario, il moto della scia di monte ha un grande effetto sulle perdite di profilo, poiché la turbolenza trasportata dalla scia anticipa la transizione dello strato limite, modificando il comportamento aerodinamico delle pale e conseguentemente delle macchine. Per studiare l’effetto della scia di monte sulle pale a valle, nel presente lavoro si utilizza un metodo di post-processamento avanzato, chiamato POD (Proper Orthogonal Decomposition). Questo metodo, applicabile sia a dati sperimentali, sia a risultati di procedure numeriche, è stato applicato nel presente lavoro di tesi su dati ottenuti da simulazioni LES (Large Eddy Simulation) allo scopo di separare i differenti contributi di perdita e di visualizzare le strutture associate ai fenomeni fluidodinamici che si realizzano all’interno del canale palare. In particolare, nel presente lavoro sono state studiate due pale di turbina di bassa pressione di diversa tipologia, chiamate HL (High Loaded) e FL (Flat Loaded), ed è stato sviluppato un programma in grado di generare mesh strutturate con diversa densità, a partire dalle coordinate del profilo della pala. Ciò è stato fatto per valutare l’influenza che la densità di mesh ha sul calcolo per la valutazione dei contributi di perdita, ottenuto attraverso la tecnica POD. Per entrambe le pale il calcolo delle perdite non richiede una mesh con grado di rifinimento tanto elevato quanto quello richiesto per condurre le simulazioni LES. È possibile ottenere una stima delle perdite con mesh meno fitte.

The optimization of low pressure turbine blades for aeronautical applications, in unsteady flow conditions, is a topic of significant industrial and research interest. The aim is to improve the aerodynamic efficiency of the machines. To carry out this optimization it is necessary to know the different sources of loss that are generated in the various zones of the blade and the phenomena that cause them. In particular, in the unsteady state, the motion of the upstream wake has a great effect on the profile losses, since the turbulence carried by the wake anticipates the transition of the boundary layer, modifying the aerodynamic behaviour of the blades and consequently of the machines. To study the effect of the upstream wake on the downstream blades, an advanced post-processing method, called POD (Proper Orthogonal Decomposition), is used in this work. This method, applicable both to experimental data and to results of numerical procedures, has been applied in the present thesis work on data obtained from LES (Large Eddy Simulation) simulations in order to separate the different loss contributions and to visualize the associated structures to the fluid dynamics phenomena that occur inside the passage. In particular, in the present work two low-pressure turbine blades of different types, called HL (High Loaded) and FL (Flat Loaded), have been studied, and a program has been developed. It is able to generate structured meshes with different densities, starting from the blade profile coordinates. This was done to evaluate the influence that the mesh density has on the calculation to evaluate the loss contributions, obtained through the POD technique. For both blades, it has been shown that the calculation of losses does not require a mesh with a degree of refinement as high as that required to conduct LES simulations. Therefore, it is possible to obtain an estimate of losses with an excellent approximation even using less dense meshes.