Development of oil dot visualization technique for wall shear stress measurement

The following work concerns about a project developed during a six-month short training program at the Turbomachinery Department of the von Karman Institute in collaboration with the Energy Department of the Politecnico di Milano. The work was also presented by the author at the XX Symposium on Measuring Techniques in Turbomachinery that took place in Milan on the 23th and 24th of September 2010. A flow sliding over a surface generates the development of a boundary layer and the related wall shear stress. They give important information about the evolution of the flow over that surface. Nowadays there are a lot of techniques that allows computing these quantities but they are all complex, expensive and in most cases intrusive. Pitot probe, hot wire, Preston tube, etc… are the common intrusive instruments used to measure the aforementioned quantities. LDV (Laser Doppler Velocimetry), PIV (Particle Image Velocimetry), PLIV (Planar Laser Induced Fluorescence), PSP (Pressure Sensitive Paint), OFI (Oil Film Interferometry), etc… are precise techniques used when there is optical access to the measuring area and they are not intrusive as the other techniques. Especially in turbomachinery field it is difficult to make precise measurements due to the restricted optical access to the facility. The necessity of a new technique for the investigation of the flow over a surface seems to be an interesting challenge to overcome. The present work aims to use the oil visualization method not only for qualitative flow information but also to get some quantitative data. Some rude techniques for flow visualizations were introduced by Leonardo da Vinci in the XVI century. Later, scientists like Mach, Reynolds, Prandtl, von Karman, and Taylor contribute to the development of the technique. The simplicity and the low cost allow its implementation in a vast variety of applications. Since the movement of the oil depends on the flow velocity and some other parameters (i.e. viscosity of the oil, surface tension, pressure gradient, gravity, etc…) it is possible to get quantitative information by monitoring the oil movement during a test. An innovative technique that uses colored oil dots is developed to verify the possibility to get flow velocity, wall shear stress and boundary layer information. The oil dots are deposited on a surface and the motion of the dots is monitored by means of a CCD camera during the blow-down sequence. Several tests have been carried out on a flat plate to validate the technique and the experimental data have been compared to the theoretical results. The viscosity of the oil is characterized for different mixtures. The effect of the temperature on the viscosity is also analyzed. The method is also tried to adopt a turbine test rig. The technique investigated led enough possibility for the measurements of the flow speed and the wall shear stress, but further investigations on the methodology needs to be done. The enormous advantages resulting from this technique derive from to the simplicity, extremely low cost and suitability of use.

Il presente lavoro di tesi riguarda il progetto sviluppato durante sei mesi di short training program presso il Dipartimento di Turbomacchine del von Karman Institute in collaborazione con il Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano. I principali risultati della ricerca in questione sono stati presentati dall’autore al XX Symposium on Measuring Techniques in Turbomachinery tenutosi a Milano il 23, 24 Settembre 2010. Obiettivo principale della tesi è stato lo studio, l’implementazione e la verifica di un metodo innovativo per la misura dello sforzo di taglio a parete tramite analisi ottica. Un flusso che scorre su una superficie genera lo sviluppo di uno strato limite a parete. Esso fornisce importanti informazioni riguardanti l’evoluzione del flusso sulla superficie. Tale strato limite genera una resistenza causata dallo sforzo a taglio tra fluido e parete, proporzionale, per un fluido newtoniano, alla viscosità dinamica del fluido e al gradiente di velocità in direzione normale alla superficie. Oggigiorno vi sono numerose tecniche che permettono di caratterizzare l’evoluzione del flusso su una superficie e in particolar modo consentono la misura dello sforzo di taglio a parete. Sfortunatamente la maggior parte di esse sono complesse, costose ed in molti casi intrusive. Tubi di Pitot, anemometri a filo caldo, tubi di Preston, ecc… sono strumenti intrusivi che permettono la caratterizzazione del flusso. LDV (Laser Doppler Velocimetry), PIV (Particle Image Velocimetry), PLIV (Planar Laser Induced Fluorescence), PSP (Pressure Sensitive Paint), OFI (Oil Film Interferometry), ecc… sono tecniche molto precise e costose ma poco intrusive usate quando c’è un accesso ottico alla zona di misura. Specialmente in campo turbomacchinistico è difficile effettuare determinate misure a causa del limitato accesso ottico alla zona di interesse. Per queste ragioni lo sviluppo di una tecnica innovativa, poco costosa e di facile implementazione per la caratterizzazione del flusso su una superficie sembra una sfida interessante da affrontare. Il presente lavoro ha come obbiettivo lo sviluppo di un metodo che utilizzi una convenzionale tecnica di visualizzazione per ottenere misure quantitative oltre che qualitative. Rudimentali tecniche di visualizzazione furono introdotte già da Leonardo da Vinci nel XVI secolo. Più tardi, scienziati come Mach, Reyonolds, Prandtl, von Karman e Taylor contribuirono allo sviluppo di tali tecniche. Superfici di oli colorati, linee o gocce possono essere utilizzati per identificare le linee di flusso su una superficie. Dato che il movimento del liquido utilizzato come tracciante per la visualizzazione delle linee di flusso è funzione della velocità del flusso stesso e di altri parametri quali viscosità del liquido, tensione superficiale, gradiente di pressione, attrito a parete, gravità, ecc… è possibile ottenere misure quantitative monitorando il suo movimento durante un test. In questo lavoro è stata sviluppata una tecnica innovativa, che fa uso di gocce di olio colorato disposte su una superficie al fine di ottenere informazioni riguardo la velocità del flusso, lo sforzo di taglio e lo sviluppo dello strato limite a parete. Le gocce di olio vengono depositate sulla superficie ed il loro movimento è monitorato durante ogni test tramite una videocamera ad alta risoluzione. Diversi test sono stati effettuati utilizzando una lamina piana al fine di validare la tecnica confrontando le misure sperimentali con risultati teorici. Al fine di scegliere la corretta miscela di olio e pigmenti colorati adatta per l’applicazione sono state considerate differenti soluzioni viscose, indagando inoltre l’effetto della temperatura sulla miscela. Infine, il metodo è stato applicato ad una palettatura di turbina. L’innovativa tecnica proposta è promettente per la misura dello sforzo di taglio a parete e per la velocità del flusso esterno, ma necessita di ulteriori sviluppi e validazioni su casi test più complessi. Gli enormi vantaggi che ne risultano sono legati alla semplicità di implementazione, bassi costi operativi e utilizzo in diverse applicazioni.