Method of characteristics to design symmetric and asymmetric converging-diverging nozzles for real gas applications

The purpose of this thesis is to develop methods of characteristics (MoC). The methods include both symmetric and asymmetric formulations and are applied to the design of converging-diverging planar nozzle and nozzle cascades, which expand both ideal and non-ideal flows. To account for non-ideal flow features, the traditional MoC based on the Hoffman theory is recast in terms of the generalized isentropic coefficient. The reliability of the developed MoC is verified through dedicated computational fluid dynamic (CFD) simulations in Ansys Fluent, demonstrating the ability to accomplish efficient supersonic expansions of non-ideal flows without the formation of shocks. In the final part, the MoC was extended to the design of nozzle cascades for supersonic turbine applications. A method for the implementation of blades with asymmetric MoC is also devised and implemented, in addition to the conventional design method based on the symmetric MoC. Viscous CFD simulations have shown that symmetric MoC remains the preferred method over the asymmetric one as the designed blades exhibit lower losses (the pressure loss coefficients are 19.3% for symmetric MoC, against 24.3 % for the asymmetric one in the worst-case scenario). However, the method presented here for the blade design with asymmetric MoC is still preliminary, and the flexibility of this method may have unexplored potential to allow the design of more efficient vanes.

Lo scopo di questa tesi è di sviluppare metodi delle caratteristice (MoC). I metodi sviluppati includono formulazioni sia simmetriche che asimmetriche e sono applicati alla progettazione di ugelli planari convergenti-divergenti e schiere di pale statoriche, che espandono flussi ideali e non. Per considerare gli effetti di flussi non ideali, il MoC tradizionale basato sulla teoria formulata da Hoffman è riformulato basandosi sul coefficiente isentropico generalizzato. L’affidabilità del MoC appena sviluppato è verificata attraverso simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD) dedicate, dimostrando che è in grado di realizzare ugelli che garantiscono un’efficiente espansione di flussi non ideali senza la formazione di shock. Nella parte finale, il MoC è esteso alla progettazione di statori per turbine supersoniche. Un metodo che permette la realizzazione di pale con MoC asimmetrico è ideato e implementato, in aggiunta al metodo utilizzato convenzionalmente, basato sul MoC simmetrico. Simulazioni fluidodinamiche viscose hanno dimostrato che il MoC simmetrico rimane il metodo preferibile rispetto all’asimmetrico, in quanto le pale disegnate basandosi sul primo mostrano minori perdite ( per esempio, nel caso peggiore trattato, il coefficiente di perdita basato sulla pressione è 19.3% per il simmetrico rispetto a 24.3% per l’asimmetrico). Comunque, il metodo presentato in questa tesi basato sul MoC asimmetrico è ancora preliminare e la flessibilita garantita da esso potrebbe celare un potenziale inesplorato per il design di statori più efficienti.