Hybrid RANS-LES models application for the prediction of pressure fluctuations in centrifugal pumps for the automotive field

The recent diffusion of electrically driven vehicles has deeply changed the specifications of centrifugal pumps employed in the automotive field, making their noise emission a key aspect of the design process. Many industrial regulations used to characterize the noise emissions of such pumps require experimental measurements on strong off-design conditions, where the flow dynamics is characterized by boundary layer separations, vortex and recirculating flow regions. In those conditions RANS models have been demonstrated to be inaccurate in predicting the performance of pumps and provide the proper amount of unsteady phenomena, whereas full LES simulations could be extremely computationally expensive and incompatible with practical industrial applications. In this thesis the hybrid RANS-LES DDES approach based on both the Spalart-Allmaras and k-omega SST turbulent models is applied and compared to the proprietary SBES model in Ansys Fluent on common test cases: the turbulent flat plate and the backward facing step. The SBES model showed insensitivity to the mesh refinements on the shielding of the boundary layer and quickly resolved turbulent fluctuations minimizing the grey area. Afterward a comparison between the RANS and the SBES methods is proposed on the ability to resolve pressure fluctuations on the volute of a centrifugal pump. The hybrid approach resolved a more complex physics and significant contributes on the pressure spectra, with limited additional computational cost, underlying the necessity of scale resolving simulations for this kind of analysis and representing a possible alternative to classical CFD methods.

La recente diffusione di veicoli elettrici ha profondamente cambiato le specifiche richieste dalle pompe centrifghe sviluppate per l'ambito automotive, rendendo l'emissione sonora un parametro fondamentale da considerare in fase di progettazione. Molte regolamentazioni industriali utilizzate per caratterizzare l'emissione sonora di tali pompe richiedono l'esecuzione di misurazioni sperimentali in condizioni di funzionamento off-design, dove il flusso interno è caratterizzato da separazioni di strato limite, vortici e zone di ricircolo. In tali condizioni i modelli RANS si sono dimostrati imprecisi nella predizione delle prestazioni e nel risolvere fenomeni non stazionari, mentre complete simulazioni LES possono presentare costi computazionali estremamente onerosi, non compatibili con le esigenze industriali. In questa tesi il modello ibrido RANS-LES DDES, nelle varianti basate sui modelli di Spalart-Allmaras e k-omega SST è stato comparato al modello proprietario SBES in Ansys Fluent in due casi di studio: il flusso turbolento su lastra piana ed il backward facing step. Il modello SBES si è mostrato indipendente dalla mesh computazionale nella schermatura dello strato limite e con una buona capacità di risolvere velocemente le fluttuazioni turbolente nella zona di separazione, minimizzando così la zona grigia. E' in seguito riportato il confronto tra i metodi RANS e SBES nella predizione delle fluttuazioni di pressione in una pompa centrifuga. Il modello ibrido mostra la risoluzione di una fisica più complessa che comporta contributi non trascurabili all'interno dello spettro delle sollecitazioni di pressione sulla voluta, con un limitato aumento di costo computazionale, sottolineando l'importanza di adottare metodi scale-resolving in tali tipologie di analisi, ed al contempo rappresentando una possibile alternativa ai classici metodi CFD.