Hot wire anemometry for fluid-machines wake investigation : main flow properties and turbulence

This Master Thesis is an experimental investigation on the application of hot wire anemometry in two very different kinds of fluid-machine wakes: a H-shaped vertical axis wind turbine and an axial high-pressure turbine stage. Its objective is to understand how the same measurement technique can be used to study a flow in two very different conditions, and the issues that may arise. A rich experimental database collected in 2016/17 for the H-shape vertical axis wind turbine was used to map the wind flow field, turbulence, the 2x2 Reynolds stress tensor and the turbulent integral length scale, both for phase-average and unsteady data. In the wind turbine, together with the traditional near wake, for the first time, the flow was sampled also on a horizontal blade-to-blade plane at midspan. The results of the latter are outstanding to the understanding of this machine aerodynamics, and their success suggests to keep delving into blade-to-blade plane measurements by means of hot wires. An idea, for instance, could be to sample other planes rather than the midspan one, and to use different geometry hot wire probes to improve the flow characterization. The axial turbine campaign, instead, was carried out while the present Thesis was underway. For the first time, the axial turbine stage of the Laboratory of Fluid-Machines of the Energy Department at Politecnico di Milano was tested applying hot wire anemometry. The outcome, made the team aware of the critical issues related to such kind of measurements, and opens the way to further tests and studies on the use of hot wires for high-temperature high-velocity flows investigation.

Il presente lavoro di Tesi tratta l'applicazione dell'anemometria a filo caldo per caratterizzare il flusso a valle di due macchine a fluido tra loro molto diverse: una turbina eolica H ad asse verticale e uno stadio di turbina assiale ad alta pressione. L'obiettivo è comprendere come la stessa tecnica misuristica possa essere usata per lo studio di due scie così distanti, e le criticità che ne possono derivare. Si è attinto ad un ricco database sperimentale risalente al 2016/17 per mappare il campo di moto della turbina eolica, e con esso la turbolenza, il tensore degli sforzi di Reynolds 2x2 e la scala integrale di turbolenza, sia per i dati medi che per quelli instazionari. Sulla turbina eolica, oltre alla near wake convenzionale, è stato campionato per la prima volta anche un piano orizzontale a metà altezza nel piano interpalare. I risultati che ne derivano sono sorprendenti per comprendere l'aerodinamica della macchina, e suggeriscono di approfondire le misure su questo piano. Un'idea potrebbe essere quella di campionare altri piani interpalari diversi da quello a mezza altezza, e di impiegare sonde con altre geometrie per migliorare la caratterizzazione del flusso. La campagna sullo stadio di turbina, invece, è stata portata avanti in parallelo con la presente Tesi. Per la prima volta, lo stadio di turbina del Laboratorio di Fluidodinamica delle Macchine del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano è stato testato con un anemometro a filo caldo. L'esito di questo set di prove ha reso il team consapevole di alcune criticità che questo tipo di misure porta con sé, e apre la strada a nuovi test e ulteriori studi sull'uso dei fili caldi per indagare flussi ad alta temperatura ed alta velocità.