Studio CFD dei disturbi entropici e vorticosi generati dal combustore di una turbina a gas

The aim of the present work is to perform a numerical analysis regarding the behaviour of the Entropy Wave Generator by means of the Open Foam software. The EWG system is currently installed in the Politecnico's Turbomachinery Laboratory and has been subjected to a series of experimental analysis. The EWG is able to simulate the unsteady temperature and velocity fluctuations (known as entropy and vorticity waves) which characterize the thermodynamic field downstream of the combustor. When passing through the first turbine stage, those fluctuations undergo a strong acceleration, thus producing the so-called undirect noise. In order to study the undirect noise it has been necessary to set up a specific computational tool, able to cope with an unsteady compressible problem in the presence of a time-depending boundary condition. This tool has been achieved by combining a specific solver with an appropriate choice of numerical scheme, turbolence model and calculation grid. The final goal has consisted in the optimization of accuracy, modelling and execution time. In order to study the system at different levels of approximation, the analysis has been carried out comparing various solvers, numerical schemes and turbulence models (k-epsilon, k-omega SST). With the aim mentioned above, several hypothesis regarding time dependency, compressibility and symmetry have been made, discussed and eventually verified. Thank to the CFD analysis it has been possible to achieve a better knowledge over the mixing process itself. By appling the same boundary conditions used during the experimental tests, for instance, thermodynamical quantities have been easily computed in the overall domain. Additionally, it has been possible to apply brand new sets of boundary conditions, therefore studying the system's response at different inputs. Both the computational tools and the thermodynamic fields represent the outcome of the entire analysis and they will be made available for future works.

L’obiettivo principale del presente lavoro di Tesi è simulare, attraverso il software Open Foam, il funzionamento dell'impianto EWG installato nel laboratorio di turbomacchine del Politecnico di Milano. Questo impianto riproduce i disturbi entropici e vorticosi caratteristici del campo termodinamico presente a valle del combustore di una turbina a gas. Durante l'attraversamento dei canali palari del primo stadio di turbina, tali disturbi vengono accelerati e danno origine al cosiddetto rumore indiretto. Parallelamente, lo scopo prefisso consiste nell’arrangiamento, all’interno di Open Foam, di un setup di calcolo adatto ad affrontare problemi legati alla generazione di rumore indiretto all’interno di un dominio fluido. Tale setup ha richiesto la messa a punto di un solutore non stazionario e comprimibile che fosse in grado di operare in presenza di condizioni al contorno tempo-varianti. In abbinamento a tale solutore, il setup di calcolo è stato completato da una combinazione di schemi numerici, modelli di turbolenza e griglia di calcolo rappresentante una condizione di ottimo dal punto di vista della corretta modellazione, dell’accuratezza e dei tempi di elaborazione. In quest’ottica sono stati messi a punto più tipi di solutori, confrontati diversi schemi numerici e modelli di turbolenza (k-epsilon, k-omega SST). Al fine di affrontare lo studio del fenomeno a diversi livelli di approssimazione, poi, sono state fatte ipotesi di complessità crescente circa la fisica del problema. Alcune di esse riguardano la comprimibilità del flusso, la dipendenza dal tempo e la simmetria. L'utilizzo dello strumento numerico ha consentito di ampliare la conoscenza sperimentale del fenomeno in almeno due modi: da un lato, applicando le stesse condizioni al contorno presenti sull'EWG, si sono ricavate informazioni altrimenti irreperibili con gli strumenti di misura a disposizione; dall'altro, imponendo con relativa facilità condizioni al contorno differenti, si è sottoposta la dinamica del miscelamento ad un'indagine più ampia. I campi termodinamici così trovati verranno imposti nel contesto di lavori futuri come condizioni al contorno per lo statore della turbina. Il setup di calcolo ed in particolar modo i solutori messi a punto saranno resi disponibili per qualunque analisi in un contesto similare.