Recenti sviluppi dei modelli di turbolenza RANS nelle Turbine di bassa pressione

Abstract

L'obiettivo della presente tesi riguarda la sperimentazione di nuovi modelli di turbolenza per le simulazioni di tipo RANS e URANS su pale di turbina di bassa pressione. Questo studio nasce dalla necessità di verificare l'efficacia di questi modelli recentemente sviluppati per migliorare le prestazioni delle simulazioni RANS/URANS. L'uso di questo tipo di simulazioni CFD è fondamentale durante la progettazione di nuove pale per ottenere previsioni più accurate sulle prestazioni. Nella prima parte verranno passati in rassegna gli aspetti principali della "Computational Fluid Dynamics" e il setup adottato per questa tesi. Viene fornita una descrizione completa dei modelli di turbolenza più comunemente utilizzati, con un'attenzione particolare ai modelli $k-\omega$ generalizzati sviluppati di recente. Questo modello è stato anche messo a punto su dati sperimentali a cascata e ampiamente testato con analisi CFD. La parte centrale di questo lavoro è dedicata alla presentazione dei risultati CFD di una pala di turbina bidimensionale a bassa pressione in diverse condizioni operative. I risultati ottenuti con i nuovi modelli di turbolenza sono stati poi confrontati con i modelli di turbolenza standard e con i risultati sperimentali, evidenziando punti di forza e di debolezza. Nell'ultima parte di questa tesi, i modelli di turbolenza modificati sono stati testati in condizioni simili a quelle realistiche, cioè non stazionarie, presenti in un motore per raggiungere una migliore comprensione delle capacità di previsione. Vengono quindi riportati i risultati e i possibili sviluppi futuri.

The aim of this thesis is the testing of new turbulence models for RANS and URANS simulations of low pressure turbine blades. This study stems from the need to verify the effectiveness of these recently developed models to improve the performance of RANS/URANS simulations. The use of this type of CFD simulations is critical during the design of new profiles to obtain more accurate performance predictions. The first part will review the main aspects of CFD and the setup adopted for this thesis. A complete description of the most commonly used turbulence models is presented with a focus on newly developed generalized $k-\omega$ models. This model has been also tuned on cascade experimental data and widely tested with CFD analysis. Central portion of this work is dedicated to the presentation of the CFD results of a two-dimensional low-pressure turbine blade profile under several operating conditions. The results obtained with the new turbulence models were then compared with standard turbulence models and experimental results highlighting strengths and weaknesses. In the last part of this thesis, modified turbulence models are tested under engine-like conditions (i.e with unsteady incoming wakes) in order to reach a better understanding of prediction capabilities. Results and possible future developments are then reported.