An investigation on the laminar-turbulent boundary layer transition prediction in turbomachinery applications using Open-Source code

This paper proposes to investigate the capability of two different transitional turbulence models in predicting some relevant quantities from an engineering point of view. In the past years lot of effort has been done in the understanding of transition mechanism and still much have to be done. In fact, it revealed to be a very complex phenomenon: unstable, unsteady, stochastic, three-dimensional and multimoded. Its importance hinges mainly on the fact that laminar and turbulent flowsdiffer significantly in their behaviour and characteristics. From a turbomachinery perspective this is reflected in the performance of the machines in both design and off-design operating conditions. CFD analyses were performed on two test cases associated with different transition mechanisms. At first, transition prediction was assessed for a highly loaded turbine guide vane at different condition of freestream turbulence, Mach and Reynolds number, with a particular interest for the estimation of wall heat transfer (VKI LS89 test case). In this regard scrupulous attention was also posed on the prescription of the inlet turbulent mixing length. The effect of factors, other than transiton, that could play an important role in the heat transfer prediction like the viscous work term si included in the analyses. Later, the capability of catching the effect of separation-induced transition on the lift and drag coefficients of a NACA 0021 profile at low Reynolds number conditions, typical of vertical axis wind turbines (VAWTs), was brought into focus. All the results obtained were compared with those from different authors. RANS and URANS numerical simulations were performed using k-kL-omega and gamma-Re_theta transitional turbulence models. The code used is the open-source OpenFOAM®;some of the results were compared with those obtained using commercial code CFX® by Ansys®. All the computational grids were generated by means of a code written in Matlab® software.

Lo scopo di questo lavoro è di valutare la capacità di due modelli di turbolenza, che tengono conto anche della transizione, nel prevedere delle grandezze rilevanti dal punto di vista ingegneristico. Sebbene negli anni passati è stato fatto un grande sforzo per cercare di capire quali fossero i meccanismi alla base della transizione laminare turbolenta, il processo non è ancora del tutto chiaro. Infatti, si è rivelato essere un fenomeno molto complesso: instabile, instazionario, stocastico, tridimensionale e multimodale. La sua importanza risiede nel fatto che flussi laminari e turbolenti differiscono fortemente nelle loro caratteristiche. Da un punto di vista turbomacchinistico, ciò si riflette nelle prestazioni delle macchine sia in condizioni di progetto che fuori progetto. Sono state fatte delle analisi CFD per due casi riguardanti meccanismi di transizione differenti. Inizialmente, si è valutata la capacità nel prevedere la transione per quanto riguarda uno stadio statorico di turbina d’alta pressione per diverse condizioni di turbolenza, numeri di Mach e di Reynolds, con l’interesse particolare nel calcolare il coefficiente di scambio termico a parete. Inoltre, è stata posta molta attenzione anche sulla definizione della lunghezza di scala turbolenta assegnanta in ingresso. Si sono considerati inoltre gli effeti di fattori, oltre che alla transizione, che possono influire sullo scambio termico come il termine associato al lavoro viscoso. Successivamente, il focus è stato posto sulla previsione degli effetti della transizione indotta dalla separazione sui coefficienti di portanza e resistenza di un profilo NACA 0021 in condizioni di basso numero di Reynolds, tipico di turbine eoliche ad asse verticale. Tutti i risultati ottenuti sono stati confronti con quelli di altri autori. Simulazioni numeriche di tipo RANS ed URANS sono state fatte utilizzando i modelli di transione k - kL - omega e gamma - Re_theta. Prevalentemente è stato utilizzato il codice open-source OpenFOAM®; alcuni dei risultati sono stati confrontati con quelli ottenuti utilizzando il codice commerciale CFX® di Ansys®. Tutte le griglie computazionali sono state ottenute per mezzo di un codice scritto in Matlab® software.