CFD validation of modern LPT cascade vane

The objective of Rolls Royce for the near future is to reduce the use of commercial CFD codes in favor of its internal solver, called Hydra. The present work aimed to contribute to the HYDRA code validation campaign by investigating the performances of the code to simulate the three-dimensional flow fields (i.e. the secondary flows) around a stator typical of modern LPT. The off-design conditions in terms of incidence were also investigated. For each incidence, CFD result in terms of total pressure, static pressure, whirl angle, radial angle and KSI were compared to the experimental results carried out in the transonic wind tunnel at CTA, in Spain. Because of its influence on the generation of secondary flows, great attention was given to the representation of inlet conditions. Unfortunately, one of the major limits of the provided experimental measurements was the lack of spatial information on the inlet flow; only pitchwise averages of the quantities of interest were given by ITP, implying a lack of representation of the inlet axial vorticity. Moreover, the turbulence properties were given just in terms of average values both in the radial and in the pith direction. For these reasons, a big part of the present work was aimed to investigate the sensitivity of the numerical results to these uncertainties. This study was achieved by providing to the solver different inlet boundary layers (to account for different inlet vorticity) and turbulence radial distributions. This work gave us some insight on the features of the actual flow inside the vane, thus explaining some of the probable differences between numerical and experimental results. Also, the difference in the losses mechanism for different operating points was underlined.

L’obiettivo di Rolls-Royce per il prossimo futuro è di ridurre l’uso di codici CFD commerciali in favore di un solutore proprietario, chiamato Hydra. Il presente lavoro è stato parte di una più vasta campagna di validazione del suddetto codice, e si è interessato allo studio delle performances del solutore nel simulare campi di moto fluido tridimensionali, intorno allo statore di una moderna tutina assiale di bassa pressione. Anche le capacità predittive del codice in condizioni di fuori progetto sono state investigate, attraverso una variazione dell’incidenza del profilo. Per ogni valore di incidenza, i risultati numerici in termini di pressione totale, pressione statica, angoli cinematici e KSI sono stati confrontati con i risultati sperimentali, ottenuti nella galleria del vento transonica del CTA, in Spagna. A causa della loro importanza nel processo di generazione dei flussi secondari, è stata data grande attenzione alla rappresentazione delle condizioni in ingresso. Sfortunatamente, le misure sperimentali sono risultate carenti in merito alla descrizione spaziale del flusso in ingresso. Infatti, solo grandezze mediate nella direzione circonferenziale sono state date da ITP, comportando una erronea rappresentazione della componente assiale della vorticità. Inoltre, le caratteristiche della turbolenza in ingresso sono state fornite solo in termini medi, sull’intera sezione d’ingresso. Per questo motivo, un parte importante di questo lavoro è stata dedicata allo studio della sensibilità dei risultati numerici rispetto questo tipo di incertezze. Questo studio è stato effettuato per mezzo di diverse condizioni in ingresso fornite al solutore, sia in termini di rappresentazione dello strato limite che di distribuzione radiale di turbolenza. Attraverso questo lavoro è stato anche possibile ipotizzare alcune caratteristiche del reale flusso all’interno del canale palare, che hanno permesso di spiegare il motivo di alcune discrepanze tra i risultati numerici e quelli sperimentali. Infine, è stata studiata la differente natura dei processi di generazione delle perdite per differenti valori di incidenza.