Analisi e validazione di solutori CFD ad alta e bassa fedeltà per turbomacchine

Despite the widespread use of fully three-dimensional Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques, axisymmetric flow models still represent a key tool in turbomachinery design, being able to provide accurate and reliable solutions coupled with a significant reduction in computational time and costs. The present work involves both three-dimensional and two-dimensional modeling with the simulation of two experimental Test Cases, performed respectively with ANSYS-CFX® software and a throughflow code that calculates the flow field on the meridional plane. In particular, the last stage of an axial turbine and the rotor of a transonic axial compressor are simulated. The meridional code object of study contains standard models for turbines and compressors to evaluate losses and deviations; at the same time it offers the possibility to insert experimental data, whether present, for every specific problem in exam, in order to improve the accuracy of the solution. The analysis is carried out through levels of successive approximations and aims at the validation of the code on the basis of the confrontation with three-dimensional results. Particular attention is put on the accuracy of the implemented correlations, on the capacity to foresee the evolution of the most important quantities and to describe correctly the flow field and the phenomena within it, highlighting and discussing the observed limits.

Nonostante il largo impiego di tecniche CFD (Computational Fluid Dynamics) tridimensionali, i modelli semplificati per flussi assialsimmetrici rappresentano ancora un valido strumento nella progettazione di turbomacchine, essendo in grado di fornire soluzioni accurate ed affidabili con una importante riduzione di tempi e costi computazionali. Il presente lavoro di tesi si colloca in entrambi i contesti di modellazione tridimensionale e bidimensionale, proponendosi di simulare due Test Cases sperimentali presenti in letteratura rispettivamente attraverso il software commerciale ANSYS-CFX® ed un codice throughflow che risolve il campo di moto sul piano meridiano. In particolare, sono presi in esame il quarto ed ultimo stadio di una turbina assiale ed il rotore di un compressore assiale transonico. All’interno del codice meridiano oggetto di studio sono implementati criteri classici per turbine e compressori utilizzabili per la valutazione di perdite e deviazioni; allo stesso tempo viene offerta la possibilità di inserire dati sperimentali, qualora esistenti, per ogni specifico problema in esame, al fine di aumentare l’accuratezza della soluzione. L’analisi è condotta per livelli di approssimazione successivi ed ha come fine ultimo la validazione del codice sulla base del confronto con i risultati numerici tridimensionali. E’ stata posta particolare attenzione sull’accuratezza delle correlazioni implementate, sulla capacità di prevedere l’evoluzione delle grandezze significative e di descrivere correttamente il comportamento del flusso ed i fenomeni che hanno origine al suo interno, mettendo in luce e discutendo i limiti riscontrati.