Analisi delle prestazioni di codici commerciali e open-source per la simulazione CFD di una schiera supersonica di turbina a fluido organico

Aim of this project is evaluating the opportunity to use openFoam, an open-source CFD code, to operate simulations in a turbomachinery case. More precisely, since this code is often considered poorly accurate for high levels of simulation because of the presence of commercial codes biult specifically for this kind of subjects, the highest level of accuracy available in this software for fluidodynamic modeling was searced. In this regard both the physical models and numerical schemes available in both the codes considered were deeply studied, and the more accurate ones were chosen. Simultaneously to the openFoam calculation, the same simulations with the same models applied have been carried on in a commercial software like ANSYS-CFX, which is at the moment considered the reference code for turbomachinery problems. This procedure allowed, once acceptable results were found in both the softwares, to compare what was returned from the calculations and to be sure that all the conclusions derived were valid. This kind of study was applied in this project to analyze an axial turbine cascade working with organic fluid and in a high supersonic state ($Ma_{max}>2$). This case presents both the two critical issues typical of turbomachines simulations, wich are the high compressibility shown by the gas beacause of the high speed reached by the flux and the usage of a fluid that, in studied operating conditions, presents real gas behaviour. Both this problems were carefully studied during this project, both in theory and how the codes deal and solve them. Regarding the simulation of the case for the two softwares were defined mesh, boundary conditions, physical models, solver and numerical schemes (where available), trying to keep the same choices for both the sofwares in order to limit the differences which could couse results difformity. As has been said high attention was given to the model used for the fluid, in fact both the pefect and real gas models were compared. In order to complete the post processing phase, for the software openfoam was created an application, named thermoMDM, which permitted to calculate in each time step returned by the solver all the quantities useful for the results analysis; while CFX, since it is a commercial code, automatically returns all the quantities needed. All the conclusions deduced from this project will be useful for future applications where will be needed to make a choice on what software to use and how to use it in the best way possible, and the features created for the openFoam code can be used for every kind of calculation since they were created in order to reslut the more generic as possible.

Scopo di questo lavoro è quello di valutare la possibilità di utilizzare un codice open-source come openFoam per la simulazione di casi in ambito turbomacchinistico. Più precisamente si è cercato di implementare in questo lavoro il livello massimo di accuratezza che fosse possibile raggiungere per quanto riguarda la modellazione fluidodinamica con questo software, spesso considerato poco affidabile ad alti livelli a causa della presenza di codici commerciali studiati appositamente per questo tipo di problemi. A tal proposito si sono studiati in maniera approfondita sia i modelli numerici che quelli fisici resi disponibili dal codice e di questi si soni scelti i più accurati. Parallelamente ai calcoli in openFoam sono state portate avanti le stesse simulazioni con i medesimi modelli implementati usando un software commerciale come ANSYS-CFX, il quale è considerato al momento il codice a cui far riferimento per lo studio di problemi inerenti alle turbomacchine. Questo procedimento ha permesso, una volta ottenuti dei risultati accettabili con entrambi i codici, di confrontare quanto restituito e poter avere garanzia della validità delle conclusioni tratte su eventuali analogie e differenze riscontrate. Questo tipo di studio in questo lavoro è stata applicata all'analisi di uno stadio di turbina assiale a fluido organico operante in regime altamente supersonico ($Ma_{max}>2$). Come si vedrà questo caso presenta le due criticità tipiche della fluidodinamica delle turbomacchine, ovvero la forte comprimibilità evidenziata dal gas a conseguenza dell'elevata velocità raggiunta dal flusso e l'utilizzo di un fluido che, nelle condizioni operative studiate, presenta caratteristiche di gas reale. Entrambi questi problemi sono stati attentamente studiati nel corso di questo lavoro, sia per quanto riguarda la teoria sia per come entrambi sono trattati e risolti all'interno dei due codici considerati. Per quanto riguarda la simulazione vera e propria del casoi per entrambi i software si sono definiti la mesh, le condizioni al contorno, i modelli fisici, il solutore e i metodi numerici da utilizzare (ove possibile), cercando sempre di mantenere le stesse scelte per entrambi così da poter limitare il più possibile i fattori che potessero causare delle difformità nei risultati. Particolare attenzione come detto si è data al modello di fluido scelto, infatti si è deciso di confrontare le prestazioni dei due codici sia nel caso di simulazione con gas perfetto sia nel caso a gas reale. A tale scopo è stato necessario per il codice openFoam creare una applicazione ad hoc, denominata thermoMDM, che permettesse di calcolare all'interno delle cartelle dei tempi restituite dal solutore tutte le grandezze necessarie alla fase di post processing; mentre CFX , essendo un codice commerciale, restituisce automaticamente tutte le grandezze necessarie per l'analisi dei risultati. Le conclusioni tratte in questo lavoro saranno utilizzate in futuro per valutare quale codice utilizzare per lo studio di determinati problemi e come utilizzarlo al meglio delle sue potenzialità, e le funzioni implementate per openFoam risultano molto utili per qualsiasi tipo di calcolo futuro poiché sono state create in modo da risultare il più generali possibile.