Tesi di Dottorato

In questa tesi sono state analizzate tre differenti metodologie per lo studio della risposta forzata. Tali metodologie si basano sull’utilizzo del risolutore fluidodinamico AU3D, appartenente al pacchetto di simulazione fluidodinamica Aeroelasticity Computing Environment ACE. Il codice è stato sviluppato al Vibration University Technology Centre dell’Imperial College di Londra ed è comunemente utilizzato dalla Rolls-Royce come importante strumento per la simulazione fluidodinamica ed aeroelastica. Il risolutore fluidodinamico si basa su una discretizzazione tridimensionale ai volumi finiti delle equazioni di Favre-Averaged Navier-Stokes. Il dominio computazionale è descritto tramite l’utilizzo di un’innovativa griglia ibrida, che può contenere differenti tipologie d’elementi, come quelli tetraedrici, prismatici ed esaedrici. Grazie a tale discretizzazione è possibile mantenere un’alta efficienza computazionale ed un’elevata risoluzione dello strato limite, tipica delle griglie strutturate, senza però nessuna perdita dei vantaggi d’adattabilità geometrica delle topologie non strutturate. Per incrementare ulteriormente l’efficienza computazionale il dominio di calcolo è stato caratterizzato tramite una struttura a lato; in tale modo la griglia è presentata al risolutore fluidodinamico come un insieme di coppie di nodi connessi da un lato conferendo così al codice una struttura unificata per qualsiasi geometria degli elementi che il lato in questione unisce.Le tre metodologie applicate in questo lavoro non fanno alcuna assunzione semplificativa riguardo il rapporto tra il numero di pale tra due stadi adiacenti e differiscono principalmente per come sono state implementate nel codice le condizioni al contorno. Il primo metodo (whole-model) consiste nella simulazione di tutti i passaggi palari in tutti gli stadi; ovviamente questo approccio è il più diretto, ma anche il più pesante da un punto di vista computazionale. Il secondo metodo (sliding-plane model) si ottiene simulando un solo passaggio palare del rotore e rappresentando lo statore con una condizione non-stazionaria all’ingresso: in tale modo la risposta forzata sulla pala del rotore è modellata con il minimo sforzo computazionale, senza però permettere alcuna interazione potenziale o di scia tra le due file di pale. Con questa metodologia l’interazione statore/rotore è considerata come un fenomeno periodico con una determinata frequenza fondamentale (la blade passing frequency). Seguendo tale ipotesi, in alcuni punti significativi della griglia, le grandezze fluidodinamiche sono conservate per un periodo per poi essere applicate ad altri corrispondenti punti (shadow-points) con un opportuno sfasamento temporale. Il terzo metodo (unsteady single-passages model) simula un’interazione di più file di pale con una schematizzazione a singolo passaggio palare per fila: in modo del tutto simile al modello precedente, si considera che tutti i passaggi palari siano soggetti ad un campo fluido periodico. Anche questo modello ha dimostrato una notevole riduzione del tempo di calcolo, ma con la sola verosimile assunzione di un’interazione statore/rotore periodica.

Tutti i modelli considerati sono stati validati tramite il confronto tra risultati numerici e sperimentali: il test case scelto è stata la turbina RT27 di Oxford ed una buona concordanza si è ottenuta per tutti i casi esaminati.