Analisi delle equazioni di trasporto della pressione totale per simulazioni CFD ad alta fedeltà di pale di turbina

Abstract

L'ottimizzazione delle pale delle turbine di bassa pressione per applicazioni aeronautiche in condizioni di flusso instazionario rappresenta un ambito di estremo interesse sia per l'industria che per la ricerca. La costante ricerca di miglioramento porta all'ideazione di nuovi approcci analitici volti a risolvere sistemi sempre più intricati che consentono di comprendere in modo più approfondito i fenomeni fisici dominanti e guidano i progettisti verso soluzioni più sofisticate. L'obiettivo ultimo è pertanto quello di minimizzare le perdite di energia meccanica, ottimizzando l'efficienza aerodinamica. Per condurre un'ottimizzazione efficace, è fondamentale comprendere le diverse fonti di perdita che si verificano nelle varie regioni della pala e i fenomeni che le provocano. Al fine di ottenere maggiori informazioni sulla generazione delle perdite, è necessario effettuare uno studio approfondito del campo di moto in una turbomacchina, tramite indagini sperimentali o metodi numerici (simulazioni CFD), ed accoppiarlo con delle appropriate tecniche di post- processamento. Nel presente elaborato viene esaminato il campo di moto tridimensionale instazionario intorno a una pala di turbina di bassa pressione. Tale analisi è condotta attraverso tecniche di post-processamento applicate utilizzando il software Matlab®. I dati necessari sono forniti da simulazioni numeriche ottenute tramite l'approccio LES (Large Eddy Simulation). L'obiettivo principale è quello di analizzare i termini delle equazioni di trasporto delle grandezze di interesse, validando i risultati su due differenti profili palari, al fine di verificare le due tipologie principali di valutazione delle perdite nel campo delle turbomacchine, ovvero approccio locale e globale. Considerata la dimensione del dataset in esame, la maggior parte delle operazioni di calcolo è stata eseguita sfruttando le risorse computazionali di un sistema HPC (High Performance Computing) remoto. Questa scelta ha permesso di ottimizzar

The optimization of low-pressure turbine blades for aeronautical applications under unsteady flow conditions is of significant interest to both industry and research. The constant pursuit of improvement leads to the development of new analytical approaches aimed at solving increasingly intricate systems, allowing for a deeper understanding of dominant physical phenomena and guiding designers towards more sophisticated solutions. The ultimate goal is to minimize mechanical energy losses by optimizing aerodynamic efficiency. To conduct effective optimization, it is crucial to understand the various sources of losses occurring in different regions of the blade and the phenomena causing them. In order to gain more insights into loss generation, a comprehensive study of the flow field in a turbomachinery is necessary, through experimental investigations or numerical methods (CFD simulations), coupled with appropriate post-processing techniques. This work examines the three- dimensional unsteady flow field around a low-pressure turbine blade. This analysis is conducted through post-processing techniques applied using Matlab® software. The required data is provided by numerical simulations obtained through the Large Eddy Simulation (LES) approach. The main objective is to analyze the terms of the transport equations of the examined quantities, validating the results on two different blade profiles, in order to verify the two main types of loss evaluation approaches in turbomachinery, namely local and global approaches. Considering the size of the dataset under examination, most of the computational operations were performed utilizing the computational resources of a remote High Performance Computing (HPC) system. This choice allowed for the optimization of the post-processing procedure by parallelizing operations across different computing nodes. Through this approach, it was possible to efficiently manage the computational load and reduce overall processing times.