Turbulence measurement at non-isothermal conditions upstream of a turbine stage tested in a short duration rotating turbine rig

In the current moment, there is a strong tendency of reaching the highest efficiency possible for all the aeroengines’ producers and to achieve this difficult goal, an intense use of turbomachinery CFD simulations is adopted. The definition of boundary conditions, particularly in terms of turbulence flow characterisation, for resolving CFD codes and for validating the final results require extensive experiments. This thesis work is inserted as a part of the large EU-funded VKI project, having the ambitious objective of investigating the aerodynamics of High-Speed Low-Pressure Turbines. The final goal of this thesis project is the measurement of the turbulence characteristics, in particular the turbulence intensity and the length scales of the flow field at the inlet of a research Low-Pressure (LP) Turbine stage, tested in the blow-down facility CT3 of the von Karman Institute (VKI). The turbulence measurements, objective of this project, have been performed by means of Hot-Wire Anemometry (HWA), in fact this measurement technique is the most suitable for the current application, thanks to the extremely high frequency response. The flow conditions during each test in the CT3 wind tunnel are characterised by an initial impulse of the total pressure and total temperature and then relatively flat trends of these properties for a time interval in the order of 100 ms. The use of a hot-wire probe in this particular environment, especially characterised by a non-isothermal flow, has required a novel calibration approach based on non-dimensional parameters, that has been introduced by Cukurel (Cukurel, 2012). From the data set obtained, the flow velocity, the turbulence intensity, the integral length scales, the micro length scales and the dominant frequencies have been determined. The uncertainty of all these quantities has been calculated by considering both the measurement and the statistical error sources: for the measurement uncertainty, the Taylor expansion approach has been considered, while the estimation of the statistical uncertainty has been performed by using a re-sampling technique, called Moving Block Bootstrap (MBB) (Kunsch,1989), that is the most appropriate for the current case.

Nel contesto attuale, vi è una grossa tendenza alla ricerca della massima efficienza possibile da parte di tutti i produttori di motori per aeromobili, e per raggiungere questo ambizioso obiettivo, vi è un utilizzo intenso di simulazioni numeriche su turbomacchine. La definizione delle condizioni al contorno, nel caso specifico in termini di caratterizzazione della turbolenza del flusso, per risolvere i codici CFD e per la validazione dei risultati finali richiede continui esperimenti. Il seguente lavoro di tesi è inserito all’interno di un più grande progetto condotto al VKI, sponsorizzato dall’Unione Europea, che ha l’ambizioso obiettivo di studiare l’aerodinamica di una turbina a bassa pressione. La finalità del progetto di tesi è la misura delle caratteristiche di turbolenza del flusso a monte dello stadio di turbina a bassa pressione, in particolare dell’intensità di turbolenza e delle lunghezze integrali. Lo stadio di turbina è stato testato nella facility CT3 del von Karman Institute (VKI) che è della tipologia "blow-down". Le misure di turbolenza, oggetto di questo progetto, sono state condotte tramite anemometria a filo caldo, infatti questa tecnica di misura, grazie all’alta risposta in frequenza della sonda, è la più sfruttabile e adeguata per l’applicazione in questione. Le condizioni del flusso durante ogni test condotto nella facility CT3 sono caratterizzate da un impulso iniziale della pressione totale e della temperatura totale e successivamente, da un andamento relativamente piatto di queste proprietà per un intervallo di tempo nell’ordine di 100 ms. L’uso di una sonda a filo caldo in questo ambiente particolare, specialmente caratterizzato da un flusso non isotermo, ha richiesto un nuovo metodo per la calibrazione introdotto da Cukurel (Cukurel, 2012), basato su parametri non dimensionali. A partire dai dati ottenuti, sono state ricavate la velocità del flusso, l’intensità di turbolenza, le scale integrali, le scale di Kolmogorov e le frequenze dominanti. L’incertezza di tutte queste quantità è stata calcolata considerando sia l’errore sistematico sia quello statistico: per l’incertezza sistematica, è stata considerata l’espansione di Taylor, mentre la stima dell’incertezza random è stata ottenuta attraverso una tecnica di ri-campionamento, chiamata Moving Block Bootstrap (MBB) (Kunsch, 1989), che si è confermata essere la più appropriata per il caso in esame.