Sviluppo e applicazione di tecniche ottiche di tipo BOS e Schlieren per lo studio di correnti comprimibili non ideali

The importance of the Organic Rankine Cycle (ORC) is increasing in the last decades due to the new interest in the environmental concerns. As regards the design of the turbine operating in ORC, some improvements are possible through the comprension of thermal-fuid dynamic behaviour of the organic compounds used. The experimental study of this class of fluids could also prove the possibility of some non-ideal phenomena. An experimental facility, named TROVA (Test Ring Organic VApors) was designed and built by Politecnico di Milano to study this problem. In this master thesis a new optical bench for schlieren visualisation was designed, in order to be used to analysed a non-ideal supersonic flow of MDM (a particular organic compound) in the convergent-divergent nozzle installed in the test section of TROVA. Furthermore a double telecentric optical system was design and built in order to measure the density field with the background-oriented schlieren (BOS) technique. Some preliminary tests were done to analyse the optical system built. The supersonic flow of air in a convergent-divergent nozzle installed in a test tunnel of Politecnico di Milano, was studied with BOS technique. These tests have provided some information about the advantages and problems of this experimental method. These preliminary test should be considered as a starting point in order to apply the BOS technique to the study of a non-ideal flow. The flow field of a supersonic flow of MDM in the convergent-divergent nozzle designed for the test section of TROVA was studied through some numerical simulations.

La crescete attenzione verso le tematiche ambientali ha dato un forte impulso allo sviluppo di impianti ORC - Organic Rankine Cycle. La possibilità di un miglioramento delle prestazioni delle turbine operanti in questi impianti risiede nella comprensione del comportamento termo-fluidodinamico dei composti organici utilizzati, il cui studio potrebbe offrire anche l'interessante opportunità di verificare sperimentalmente fenomeni di gasdinamica non ideale. A tale scopo è stato sviluppato presso il Politecnico di Milano un impianto sperimentale denominato TROVA (Test Ring for Organic VApour) in grado di riprodurre in modo discontinuo un ciclo Rankine a fluido organico. Durante questo lavoro di tesi è stato progettato un banco ottico per visualizzazioni schlieren dedicato all'impianto TROVA. In aggiunta un sistema ottico telecentrico per l'implementazione della tecnica di misura background-oriented schlieren (BOS) è stato realizzato con lo scopo di ottenere delle misure quantitative del campo di densità. Delle prime prove preliminari con questa tecnica di misura sono state svolte presso una galleria del vento ad aria, sempre per lo studio di una corrente supersonica in un ugello convergente-divergente. Per una migliore caratterizzazione del fenomeno studiato, l'andamento delle pressioni sull'asse dell'ugello è stato misurato con delle prese di pressione a parete. Tali test hanno evidenziato pregi e difetti della tecnica, fornendo un punto di partenza per l'applicazione futura della tecnica BOS per lo studio di correnti non ideali presso l'impianto sperimentale TROVA. Parallelamente, la corrente del silossano MDM (un particolare fluido organico) all'interno dell'ugello convergente-divergente dell'impianto TROVA è stata analizzata mediante simulazioni CFD.