De Bellis, Vincenzo (2011) Simulazione monodimensionale stazionaria e non stazionaria di turbocompressori per la sovralimentazione di MCI. [Tesi di dottorato] (Unpublished)

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Il presente lavoro di tesi ha riguardato lo sviluppo di modelli numerici volti alla stima delle prestazioni del compressore e della turbina facenti parte del gruppo di sovralimentazione di MCI. Tale studio ha avuto come fine quello di superare e migliorare l’approccio tradizionalmente impiegato nei codici monodimensionali basato sulle mappe stazionarie misurate sperimentalmente; infatti, la metodologia qui presentata, da un lato, consente di descrivere adeguatamente il comportamento instazionario delle turbomacchine quando accoppiate ad un MCI, dall’altro, rende superfluo il ricorso a tecniche di interpolazione o estrapolazione di dati di carattere meramente matematico o all’improprio utilizzo dei risultati della teoria della similitudine. Detta procedura si basa sull’ipotesi che il moto all’interno dei componenti facenti parte delle turbomacchine possa assumersi monodimensionale. Per quanto riguarda il solo compressore, al fine di poterne caratterizzare appieno il funzionamento anche in condizioni fortemente instazionarie quali, ad esempio, quelle che si verificano nel corso del pompaggio (surge), è sviluppata anche una procedura che risolve le equazioni del moto in tali condizioni. Il compressore è schematizzato come una serie di cinque condotti: il condotto di aspirazione, la girante, il diffusore, la voluta e il condotto di mandata. La girante stessa è considerata come un insieme di canali rotanti in parallelo. La turbina è descritta in maniera del tutto analoga al compressore salvo invertire l’ordine dei componenti. In tal caso, inoltre, il diffusore e sostituito dal distributore palettato o da un semplice condotto convergente di altezza costante. La procedura numerica include un modulo che, sulla base di un numero contenuto di grandezze lineari ed angolari direttamente misurate sulle turbomacchine, provvede a effettuarne una schematizzazione geometrica; la stessa è poi utilizzata per ricavare gli andamenti della sezione di passaggio e del perimetro bagnato in funzione dell’ascissa curvilinea per ciascun condotto in cui si suppone suddivisa la turbomacchina. Particolare cura è riposta nella ricostruzione della geometria della girante rappresentando quest’ultima il componente più complesso da descrivere geometricamente sia per il compressore che per la turbina. Al fine di riprodurre adeguatamente il funzionamento reale delle turbomacchine sono introdotti nel modello alcune correlazioni di perdita volte a descrivere fenomeni molto complessi ed altrimenti non modellabili mediante l’approccio seguito quali, ad esempio, l’urto della vena fluida sulla pala, lo slip, l’attrito interno al fluido e quello con le pareti, lo scambio termico, etc. Uno dei motivi fondamentali che ha portato allo sviluppo della versione stazionaria del modello risiede nell’esigenza di dotarsi di uno strumento analitico in grado di valutare le prestazioni di turbina e compressore con tempi di calcolo molto contenuti. Il basso onere computazionale richiesto permette anche di effettuare la taratura del modello mediante una procedura automatica avente lo scopo di identificare il valore da attribuire alle costanti di calibrazione minimizzando lo scostamento tra le prestazioni previste numericamente e quelle rilevate sperimentalmente. Nel caso del compressore, il codice stazionario è altresì impiegato come rapido e veloce banco di prova per definire la modellazione delle perdite da riportare successivamente nella più raffinata, ma computazionalmente onerosa procedura instazionaria.

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