Analisi di flusso mediante modello CFD 3D instazionario

Per capire allora il reale fenomeno fluidodinamico che avviene alle alte velocità di rotazione si è fatto ricorso a simulazioni CFD complete instazionarie. L’analisi è effettuata sul compressore C6 alla velocità Ncor=1,17. Innanzitutto in Fig. 7.20 si è riportato l’andamento nel tempo della pressione statica sul piano di uscita della voluta, per tre diverse portate a Ncor=1,17.

167 Fig. 7.20 – Andamento della pressione statica mediata rispetto alla portata all’uscita della

voluta a diverse portate, Ncor=1,34 compressore C6

La curva caratteristica in tale speedline presenta un tratto con pendenza positiva molto prima della condizione di surge. Solo in questo tratto inoltre le soluzioni CFD instazionarie presentano oscillazioni di pressione con le caratteristiche riportate in Tab. 7.3.

Tab. 7.3 – Oscillazioni di pressione all’uscita voluta, compressore C6 a Ncor=1,17 ṁcor T [timestep] foscill/frev Semi ampiezza 1,049 670 9% 8,5% 0,937 695 8,6% 11,5% 0,841 750 8% 13,8%

In pratica man mano che ci avviciniamo alla condizione di surge si osservano oscillazioni sempre più ampie e con un periodo maggiore. Anche nel lavoro di Grondin et al (2018) viene mostrato un simile comportamento alle alte velocità per i punti operativi oltre il picco. Gli autori chiamano tale fenomeno instabilità rotanti e si verificano prima del deep surge. Per poter meglio approfondire i fenomeni che si verificano in tale area della mappa del compressore sono state collocate dei punti di monitoraggio (probe) nel diffusore e in prossimità del leading edge, come in Fig. 7.21.

168 Fig. 7.21 – Localizzazione delle sonde numeriche sul diffusore e in prossimità del leading

edge del compressore C6

In particolare sono state collocate tre sonde sulla cassa in prossimità di ogni bordo d’attacco delle pale e tre sonde sulla cassa di ogni canale diffusorico (equispaziate circonferenzialmente) a diversi raggi (r/R4=1.1–1.5–1.9). Le principali differenze individuate tra tutti i monitor del diffusore sono state riportate con le sonde D1.9 e D4.9 in Fig. 7.22.

Fig. 7.22 – Segnali di pressione delle sonde localizzate a r/R4=1.9, a diverse portate, per il compressore C6 a Ncor=1,17: (a sinistra) sonda D1.9, (a destra) sonda D4.9

Innanzitutto alla portata ṁcor=1,164 (non ancora nel tratto di mappa a pendenza positiva) i segnali presentano una perfetta periodicità legata esclusivamente al passaggio palare. È per le portate sul tratto di mappa a pendenza positiva che vengono invece individuate delle oscillazioni a bassa frequenza, come precedentemente descritto in Tab. 7.4. La principale differenza tra la D1.9 (collocata in prossimità della lingua della voluta) e la sonda D4.9 (posta a circa 180° dalla lingua) consiste nella diversa ampiezza delle oscillazioni ad alta frequenza rilevate. Infatti per la portata ṁcor=0,841, tra la seconda e la settima rivoluzione

169 completa del rotore, il segnale in posizione opposta alla lingua della voluta ha rilevato oscillazioni ad alta frequenza più ampie.

Per non rendere la trattazione troppo pesante i segnali delle altre sonde sul diffusore non sono stati riportati, ma si è osservato come allontanandoci circonferenzialmente dalla sonda D4.9 i disturbi ad alta frequenza decrescono via via in ampiezza. Grazie a questo tipo di analisi è evidente come ci troviamo di fronte ad un fenomeno localizzato. Un simile comportamento è stato peraltro trovato da Zhang et al (2018). Per capire cosa realmente succede in tale posizione si sono riportate in Fig. 7.23 le distribuzioni di velocità radiale al 70% di span del diffusore e quelle di entropia al leading edge, a diversi istanti temporali, in condizione near surge.

Fig. 7.23 – Distribuzioni di velocità radiale al 70% di span del diffusore e dell’entropia al leading edge a due istanti diversi, compressore C6 a Ncor=1,17 in condizioni near surge

(ṁcor=0.937)

Si è potuto constatare come, sempre nella stessa posizione (circa a 180° dalla lingua della voluta), si viene a creare una cella di stallo (regione blu). Essa si origina periodicamente e sempre nella stessa posizione. Tale cella influenza a monte il rotore, infatti valori di entropia (parametro legato ai fenomeni dissipativi) più elevati sono stati riscontrati al leading edge, contemporaneamente alla cella di stallo sul diffusore. Tale influenza a monte viene rilevata anche con i segnali di pressione sul leading edge riportati in Fig. 7.24.

170 Fig. 7.24 – Segnali di pressione delle sonde localizzate al leding edge, a diverse portate,

per il compressore C6 a Ncor=1,17: (sopra) sonda R1.10, (sotto) sonda R4.10

Infatti si osserva come per i punti operativi collocati nel tratto di mappa con pendenza positiva, le sonde poste in prossimità del leading edge rilevino dei bruschi cali di pressione negli istanti temporali in cui veniva rilevata la cella di stallo del diffusore e i disturbi ad alta frequenza della sonda D4.9.

L’interazione tra la cella di stallo del diffusore e il rotore è stata inoltre spiegata attraverso la distribuzione istantanea (all’istante tb: istante incui è presente la cella) sul piano blade- to-blade del Mach relativo al 50% di span, riportata in Fig. 7.25.

171 Fig. 7.25 – Contours nell’istante tb del Mach relativo sul piano blade-to-blade al 50% di

span, compressore C6 a Ncor=1.17 in condizioni near surge (ṁcor=0.937)

In pratica nei canali palari che contengono a valle la cella di stallo sul diffusore, ossia quello tra le pale 3 e 4 e parzialmente quello tra le pale 4 e 5, il passaggio del flusso principale dall’ingresso sarà parzialmente ostruito da tale cella. Il flusso allora tenderà a ridistribuirsi nei canali immediatamente adiacenti aumentandone l’incidenza su tali pale. In particolare è possibile osservare come sulle pale 3, 2 e 1 siano presenti delle separazioni sulle suction side più elevate rispetto alle altre tre pale. Entrando più nel dettaglio in Fig. 7.26 si riportano i vettori di velocità relativa sullo stesso piano nello stesso istante.

Fig. 7.26 – Vettori di velocità relativa sui bordi di attacco al 50% di span nell’istante tb, condizione near surge (ṁcor=0.937) a Ncor=1,17 compressore C6

La cella di stallo del diffusore ostruisce i vani rotorici 3-4 e 2-3, per tale ragione il flusso tende a ridistribuirsi nei canali successivi, causando un aumento dell’incidenza sulle pale 3,

172 2 e 1 poiché aumenta la componente tangenziale della velocità. Al contrario l’incidenza diminuisce sulle pale 5 e 6, proprio per questo sono presenti minori separazioni su tali pale. Infine se ripetiamo la stessa analisi per una portata inferiore, ossia quella di surge, è possibile evidenziare grazie alla Fig. 7.27, come la cella di stallo, che si viene a creare nel diffusore (in posizione opposta alla lingua della voluta), raggiunga periodicamente un’estensione massima circonferenziale molto più estesa che in Fig. 7.23.

Fig. 7.27 – Distribuzioni di velocità radiale al 70% di span del diffusore e dell’entropia al leading edge a due istanti diversi, compressore C6 a Ncor=1,17 in condizioni di surge

(ṁcor=0.841)

In tale condizione verranno interessati oltre metà dei vani rotorici presenti e per tale ragione il flusso al leading edge sarà maggiormente disturbato (entropia elevata) per il meccanismo di ri-distribuzione del flusso, portando così l’intero compressore ad una condizione di funzionamento instabile.

Una possibile spiegazione nella nascita del precedente fenomeno localizzato (cella di stallo) può essere trovata nella distribuzione di pressione fortemente asimmetrica che induce la voluta in condizioni di off-design (Zhang et al, 2018). Tale caratteristica viene mostrata in Fig. 7.28 attraverso la distribuzione circonferenziale di pressione (mediata nel tempo) nella voluta, per diverse portate, su una curva a velocità di rotazione costante.

Fig. 7.28 – Distribuzione circonferenziale di pressione (mediata nel tempo) dentro la voluta per diverse portate, compressore C6 a Ncor=1,17

173 Da questo grafico è stato possibile evidenziare come solo alla portata corrispondente al picco delle curva delle performance di tale speed line (ṁcor=1,164) la pressione statica nella voluta sia pressoché costante all’interno della voluta. Se andiamo verso una portata superiore (ṁcor=1,281) la voluta diventa espandente con una distribuzione di pressione che diminuisce dalla sezione a 72° fino a quella a 360°. Al contrario per portate inferiori il gradiente di pressione circonferenziale nella voluta è positivo. In particolare si osserva come al diminuire della portata tale gradiente diventi sempre più grande, generando a monte una contropressione sempre più forte.

Un’ulteriore evidenza di come la voluta abbia un forte impatto alle alte velocità è riportata in Fig. 7.29 attraverso gli andamenti dei Cp nel diffusore a diverse velocità di rotazione. In particolare si sono riportati gli andamenti dei Cp con diversi modelli CFD.

Fig. 7.29 – Confronto del Cp nel diffusore tra Simple model, fully 3D e unsteady, a diverse velocità rotazione, compressore C6

Si evince che solo alle alte velocità la voluta presenta un certo impatto sull’intera macchina, a cominciare dal diffusore, infatti per Ncor=1,17, al ridursi della portata vi è una deviazione tra il Cp calcolato col Simple model, rispetto a quello con i modelli completi comprensivi di voluta (sia il Fully 3D, sia l’Unsteady). Al contrario alle basse velocità (Ncor=0,83) non vi sono particolari differenze nei Cp ottenuti coi diversi modelli CFD.

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8. Sviluppo di criteri di previsione del limite di