A multi-fidelity numerical study of boundary layer development under varying free-stream turbulence intensities

This thesis presents a multi-fidelity numerical analysis of the boundary layer development on aLow-Pressure Turbine (LPT) blade profile. The investigated geometry stems from the aerodynamic redesign of a high-speed blade, specifically scaled and adapted for low-speed testing at the C1 wind tunnel of the von Karman Institute for Fluid Dynamics (VKI). The primary objective of this research is to evaluate the impact of freestream turbulence intensity on laminar-to-turbulent transition mechanisms and overall blade performance. The investigation was conducted under two distinct inflow conditions: a low-turbulence case (Tu = 2.4%) and a high-turbulence case (Tu = 10.2%), which is representative of actual turbine stages. To accurately characterize the flow field, an extensive computational campaign was car ried out employing three approaches of increasing fidelity: integral formulations coupled with Euler solvers (MISES), simulations based on the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations coupled with various transition models, and scale-resolving Large Eddy Simulations (LES). The aerodynamic behavior of the blade was analyzed by quantifying the distribution of the pressure coefficient (Cp) and skin friction coefficient (Cf), as well as tracking the spatial evolution of the boundary layer integral parameters, such as dis placement thickness (δ∗), momentum thickness (θ), and shape factor (H12). Finally, the near-wall analysis was complemented by a detailed study of the near-wake region, evalu ating the kinetic energy loss coefficient (ξ) and turbulent kinetic energy profiles. The results obtained from the different numerical solvers were systematically validated through a direct comparison with reference experimental data. This validation allowed for the quantification of the predictive error of the various models, highlighting their limitations and strengths in capturing complex fluid dynamic phenomena, such as the development of laminar separation bubbles on the pressure side and the bypass transition induced by high inlet turbulence.

Il presente lavoro di tesi propone un’analisi numerica a fedeltà multipla dello sviluppo dello strato limite su un profilo palare di turbina a bassa pressione (LPT). La geometria in esame deriva dal ridisegno aerodinamico di una pala originariamente operante ad alta velocità, specificamente scalata e adattata per test a bassa velocità presso la galleria del vento C1 dell’Istituto von Karman per la Fluidodinamica (VKI). L’obiettivo principale della ricerca consiste nel valutare l’impatto dell’intensità di turbolenza di freestream sui meccanismi di transizione laminare-turbolento e sulle prestazioni globali del profilo. L’indagine è stata condotta per due distinte condizioni di flusso in ingresso: un caso a bassa turbolenza (Tu = 2.4%) e uno ad alta turbolenza (Tu = 10.2%), tipico degli stadi di turbina reali. Per caratterizzare accuratamente il campo di moto, è stata eseguita un’estesa campagna computazionale impiegando tre approcci a livello di fedeltà crescente: formulazioni in tegrali accoppiate a solutori Euleriani (MISES), simulazioni basate sulle equazioni di Navier-Stokes mediate alla Reynolds (RANS) accoppiate a svariati modelli di transizione, e simulazioni ad alta fedeltà che risolvono le scale turbolente (LES). Il comportamento aerodinamico della pala è stato analizzato quantificando la distribuzione del coefficiente di pressione (Cp) e del coefficiente di attrito superficiale (Cf), nonché tracciando l’evoluzione spaziale dei parametri integrali dello strato limite, quali lo spessore di spostamento (δ∗), lo spessore di quantità di moto (θ) e il fattore di forma (H12). L’analisi in prossimità della parete è stata infine integrata da uno studio dettagliato della regione di near-wake, valutando il profilo della perdita di energia cinetica (ξ) e dell’energia cinetica turbolenta. I risultati ottenuti dai diversi solutori numerici sono stati sistematicamente validati at traverso un confronto diretto con i dati sperimentali di riferimento. Questa validazione ha permesso di quantificare l’errore predittivo dei vari modelli, evidenziandone i limiti e i punti di forza nel catturare fenomeni fluidodinamici complessi, quali lo sviluppo di bolle di separazione laminare sul lato in pressione e la transizione di bypass indotta dall’elevata turbolenza in ingresso