An investigation of innovative experimental and numerical techniques to detect the boundary layer transition

Different methods to detect boundary layer transition, including one innovative based on acoustic measurements, are investigated within the scope of this paper. Laminar and turbulent boundary layers present a significantly different behavior, not only for skinfriction but even for heat-transfer, which affects the blade cooling design. Therefore, predicting the transition position in turbomachinery applications is often crucial. Experimental measurements were performed for two subsonic air flow regimes over a flat plate with no pressure gradient. The flat plate is located in a channel with square section. In the first step, transition was investigated by Preston tube, which consists of a stagnation pressure probe together with static pressure tappings along the surface of the plate; this technique allows to evaluate the stream-wise dynamic variation of pressure due to the transition. In the second step, microphones located along the plate were used to study transition basing on the pressure fluctuations. This technique has the advantage to be non-intrusive, i.e. it does not influence the flow within the boundary layer because there is no blockage effect, in contrast to probe-based techniques. Since the transition position is strongly dependent on the free stream turbulence intensity, FRAPP measurements were performed in order to determine the free-stream turbulence level and the dissipation rate upstream of the plate. Additionally, the results of the experimental studies are compared with numerical RANS simulations using different turbulence models, in order to determine their capability to predict transition. It is assumed that the lateral sides of the channel do not influence the flow where the measurements were taken, so the mesh is built 2-dimensional. Two commercial code are used, i.e. Fluent® and CFX® by Ansys® in addition to the opensource OpenFOAM®, employing k-kL-! and -Re turbulence/transition models since they are specifically developed to predict transition.

Lo scopo di questo lavoro è di indagare diversi metodi sperimentali e numerici, tra cui uno sperimentale innovativo basato su misurazioni acustiche, per individuare la transizione da strato limite laminare a turbolento. Strati limiti laminari e turbolenti presentano una natura diversa che influisce non solo sull’attrito viscoso, e quindi sulle perdite, ma anche sullo scambio termico fluido/corpo solido, quindi sulla progettazione del raffreddamento delle pale. Per questi motivi, prevedere la posizione dove avviene la transizione è spesso di fondamentale importanza. Le misurazioni sperimentali sono state eseguite sopra una lastra piana che viene investita da un flusso d’aria, collocata all’interno di un tunnel di sezione quadrata. Tutte le indagini sperimentali vengono compiute attraverso due diverse velocità di flusso. Inizialmente, sono state eseguite misurazioni all’interno dello strato limite tramite Preston tube, che consiste in un tubo di Pitot che misura la pressione totale del flusso, insieme a sonde di pressione statica. Successivamente, sono stati posizionati dei microfoni per localizzare la transizione sulla lastra piana attraverso misurazioni acoustiche, che è una tecnica innovativa in questo campo. Il vantaggio di questa tecnica risiede nel fatto di essere non invasiva, in quanto i microfoni, essendo posizionati al di sotto della superficie, non provocano effetti di ristagno del flusso. Dal momento che il punto di transizione turbolenta é fortemente dipendente dal livello di turbolenza del flusso che la genera, sono state eseguite misurazioni tramite sonda FRAPP, in modo da determinare intensitá e dissipazione turbolenta a monte della lastra. In aggiunta, i resultati delle misurazioni sperimentali vengono confrontati con una simulazione CFD RANS, impiegando due diversi modelli di turbolenza specificatamente sviluppati per prevedere la transizione. Si assume che la presenza delle superfici laterali del tunnel non influisca sulla sezione media della lastra dove vengono effettuate le misurazioni, quindi la mesh di calcolo viene costruita bi-dimensionale. Vengono utilizzati 2 codici commerciali, cioè CFX® e Fluent® e l’open-source OpenFOAM®, impiegando i modelli di transizione turbolenta k−kL −! e −Re t, in modo da poterli comparare e testarli sulla loro efficacia.