The aim of this thesis is to design a transition duct to diffuse the flow exiting from a rotating detonation combustor. Previous studies showed the potential of RDC and application on supersonic turbines. In this study subsonic application are investigated with the objective to retrofit existing turbine using this new technology. Conventional turbines suffer from the harsh condition generated by RDC, this study aim to explore the possibility to minimize non-uniformity and unsteadiness detrimental effects. The first chapter of the thesis analyzes the working principles of RDC and reviews previous works, in order to have a comprehensive understanding of the phenomena and criticality of such application. The second chapter focus on the calculation of the mass flow averaged quantities from Pier Carlo Nassini’s previous simulation and the calculation of the inlet and outlet conditions. In the third chapter a design procedure is presented. On this basis multiple 2D design are generated and simulated in ANSYS Fluent. A simplified iterative procedure has been employed to account for boundary layer effects on the channel for each geometry. A parametric analysis on the length of the diffuser is then described to find the most efficient design between the ones previously generated. This last one is then tested in unsteady condition, simulating the passage of the detonation wave using sinusoidal law to get the oscillating thermodynamic quantities at inlet and outlet. A final analysis on unsteadiness effects and losses is then presented to underline the importance of the RDC frequency on the performance of the diffuser.

Lo scopo di questa tesi è progettare un condotto di transizione per rallentare il flusso in uscita da un combustore a detonazione rotante (RDC). Studi precedenti hanno dimostrato il potenziale degli RDC e la loro applicazione su turbine supersoniche. In questo studio vengono invece analizzate applicazioni subsoniche, con l’obiettivo di adattare le turbine esistenti utilizzando questa nuova tecnologia. Le turbine convenzionali soffrono delle difficili condizioni generate dal RDC e questo studio mira alla possibilità di minimizzare gli effetti negativi dovuti alla non uniformità e all’instabilità del flusso. Il primo capitolo analizza i principi di funzionamento dell’RDC e riporta i lavori precedenti, al fine di ottenere una comprensione completa dei fenomeni e delle criticità di tale applicazione. Il secondo capitolo si concentra sul calcolo dei valori iniziali da usare per il design, a partire dalle precedenti simulazioni di Pier Carlo Nassini su un motore a detonazione rotante. Nell’ultima parte della tesi, le condizioni di ingresso e uscita sono calcolate mediante un approccio monodimensionale. Sulla base di questi dati, vengono generati e simulati diversi design 2D in ANSYS Fluent. È stata impiegata una procedura iterativa semplificata per tenere conto degli effetti dello strato limite sul canale per ciascuna geometria. Successivamente, viene descritta un’analisi parametrica sulla lunghezza del diffusore per trovare il design più efficiente tra quelli precedentemente generati. Quest’ultimo viene poi testato in condizioni non stazionarie, simulando il passaggio dell’onda di detonazione utilizzando una legge sinusoide . Infine, vengono analizzati gli effetti dell’instabilità e delle perdite, per sottolineare l’importanza della frequenza dell’RDC sulle prestazioni del diffusore.

Transition duct design for subsonic turbines in RDE applications

BRESCIA, LUIGI
2023/2024

Abstract

The aim of this thesis is to design a transition duct to diffuse the flow exiting from a rotating detonation combustor. Previous studies showed the potential of RDC and application on supersonic turbines. In this study subsonic application are investigated with the objective to retrofit existing turbine using this new technology. Conventional turbines suffer from the harsh condition generated by RDC, this study aim to explore the possibility to minimize non-uniformity and unsteadiness detrimental effects. The first chapter of the thesis analyzes the working principles of RDC and reviews previous works, in order to have a comprehensive understanding of the phenomena and criticality of such application. The second chapter focus on the calculation of the mass flow averaged quantities from Pier Carlo Nassini’s previous simulation and the calculation of the inlet and outlet conditions. In the third chapter a design procedure is presented. On this basis multiple 2D design are generated and simulated in ANSYS Fluent. A simplified iterative procedure has been employed to account for boundary layer effects on the channel for each geometry. A parametric analysis on the length of the diffuser is then described to find the most efficient design between the ones previously generated. This last one is then tested in unsteady condition, simulating the passage of the detonation wave using sinusoidal law to get the oscillating thermodynamic quantities at inlet and outlet. A final analysis on unsteadiness effects and losses is then presented to underline the importance of the RDC frequency on the performance of the diffuser.
MUSHTAQ, NORAIZ
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
10-ott-2024
2023/2024
Lo scopo di questa tesi è progettare un condotto di transizione per rallentare il flusso in uscita da un combustore a detonazione rotante (RDC). Studi precedenti hanno dimostrato il potenziale degli RDC e la loro applicazione su turbine supersoniche. In questo studio vengono invece analizzate applicazioni subsoniche, con l’obiettivo di adattare le turbine esistenti utilizzando questa nuova tecnologia. Le turbine convenzionali soffrono delle difficili condizioni generate dal RDC e questo studio mira alla possibilità di minimizzare gli effetti negativi dovuti alla non uniformità e all’instabilità del flusso. Il primo capitolo analizza i principi di funzionamento dell’RDC e riporta i lavori precedenti, al fine di ottenere una comprensione completa dei fenomeni e delle criticità di tale applicazione. Il secondo capitolo si concentra sul calcolo dei valori iniziali da usare per il design, a partire dalle precedenti simulazioni di Pier Carlo Nassini su un motore a detonazione rotante. Nell’ultima parte della tesi, le condizioni di ingresso e uscita sono calcolate mediante un approccio monodimensionale. Sulla base di questi dati, vengono generati e simulati diversi design 2D in ANSYS Fluent. È stata impiegata una procedura iterativa semplificata per tenere conto degli effetti dello strato limite sul canale per ciascuna geometria. Successivamente, viene descritta un’analisi parametrica sulla lunghezza del diffusore per trovare il design più efficiente tra quelli precedentemente generati. Quest’ultimo viene poi testato in condizioni non stazionarie, simulando il passaggio dell’onda di detonazione utilizzando una legge sinusoide . Infine, vengono analizzati gli effetti dell’instabilità e delle perdite, per sottolineare l’importanza della frequenza dell’RDC sulle prestazioni del diffusore.
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