Validazione e Sviluppo di un Solutore CFD Open Source per Turbomacchine

Al giorno d’oggi la CFD riveste un ruolo di rilevo nell’analisi e progettazione di turbomacchine. Il livello di accuratezza sta aumentando rapidamente grazie, sia alla continua ricerca scientifico-matematica-sperimentale, che alle sempre crescenti risorse computazionali disponibili che consentono, nonostante l’adozione di modelli e approssimazioni, di simulare flussi ad alta velocità con discreta fedeltà riuscendo ad ottenere elevati carichi aerodinamici al fine di realizzare prestazioni superiori con un minore numero di pale, risparmiando peso e costi. Oggi non si è ancora giunti al punto di poter sostituire (o quasi) il supporto sperimentale con quello numerico, soprattutto se lo studio in oggetto ha come obiettivo la previsione di valori locali e non più globali. Nella fase di progettazione iniziale vengono effettuate simulazioni 1D per poter calcolare le prestazioni della palettatura, ottenere l’angolo assoluto o relativo del flusso in uscita e il coefficiente di perdita assoluto nello statore e relativo nel rotore. La fase successiva riguarda l’approccio bidimensionale al fine di ottenere una tipica sezione 2D di una pala. Per i casi con molte palette, come turbine di bassa pressione, una simulazione 2D può anche fornire risultati ragionevoli. Se l’area del meato cambia significativamente in direzione assiale può essere necessario effettuare una simulazione Quasi-3D. In quest’ultima i termini sorgenti aggiuntivi vengono utilizzati per rappresentare l’accelerazione/decelerazione causata dalla variazione dell’altezza del canale (ad esempio per l’aumento dello spessore dello strato limite). Molti codici richiedono procedure speciali o comandi nascosti per abilitare questa funzione. Diventano poi necessarie le simulazioni 3D complete nel momento in cui si dispone di una vera e propria geometria 3D per ottenere flussi secondari corretti e/o onde d’urto. Un altro fattore da tenere in considerazione è la viscosità per cui sono necessarie simulazioni delle equazioni di Navier-Stokes viscose al fine di prevedere perdite, flussi secondari e separazioni. Nella maggior parte delle simulazioni di turbomacchine vengono eseguite simulazioni stazionarie (quelle transitorie solo se all’interno del flusso si hanno delle forti instazionarietà che influenzano il capo globale). A volte, quando si esegue una simulazione stazionarie si possono vedere le tendenze di comportamento instabile come ad esempio il distacco di vortici periodici dal trailing edge. (Lo si può notare anche dall’andamento dei residui).
Per quanto riguarda la griglia spesso è preferibile quella strutturata per il motivo che essa richiede meno memoria rispetto a griglie non strutturate, offre una buona precisione e una risoluzione dello strato limite meglio di una griglia non strutturata.
Queste ultime vengono utilizzate per le geometrie più complesse. Nel costruire una griglia di calcolo per turbomacchine bisogna seguire alcune linee guida:

• Evitare di creare grandi discontinuità dimensionali delle celle;
• Se lo scopo è di ottenere una distribuzione della pressione statica sulla pala non c’è bisogno di avere una griglia molto fitta, soprattutto se il flusso considerato è euleriano. Se l’obiettivo è di avere una previsione accurata delle perdite o separazioni è più adatto infittire le zone prossime alla parete utilizzando un modello Low Reynolds. Generalmente una buona mesh adatta per condizioni Low-Reynolds, quindi per trattare opportunamente lo strato limite, prevede un minimo di 1000000 di celle.
• È bene poi risolvere sia il leading edge che il trailing edge.

Per quanto riguarda il trattamento a parete, nel caso si scelga l’utilizzo delle wall function, l’approccio è quello di avere una y+ tra 20 e 200 ma il limite superiore dipende dal numero di Reynolds. Se questo è molto alto il limite deve abbassarsi.
Nel caso in cui si abbia l’obiettivo di simulare con una certa accuratezza alla parete allora si necessita di avere una y+ per la prima cella al di sotto di 1.