Analysis of the turbulent wake flow of a linear compressor cascade using RANS simulations

The development of turbomachinery components for aircraft engines and power generation relies heavily on the usage of computational fluid dynamics (CFD). Due to the high number of simulations required in design optimizations, the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) approach with turbulence modelling will be the industry standard for many years to come as it offers fast turnaround times. However, the semi-empirical turbulence models were developed and calibrated for rather simple canonical flows with simplifying assumptions, whereas the flow in turbomachines, particularly in off-design operation, is complex and at a time difficult to predict. On the other hand, scale resolving methods like Large Eddy Simulation (LES) and Direct Numerical Simulation (DNS) are presently limited in an industrial context, as they require a high computational effort to (partially) resolve all turbulent spatial and temporal scales. However, in research context, LES and DNS simulations are feasible for selected configurations and operating points. The LES and DNS results of these cases can assess the validity of lower order turbulence models and contribute to the model development. Within the scope of this thesis, the mixing process of a turbulent wake flow of a compressor blade is investigated with the RANS "k-omega" turbulence model and compared to the results of an LES simulation of the same geometry. This works aims to identify deficits of the turbulence model formulations in the wake region and to highlight approaches to improve the investigated turbulence models. Starting with a literature review, the flow features of a turbulent wake flow are identified and described. Next, the RANS study is performed on a compressor cascade. First, a turbulence inflow study is conducted to provide similar operating condition with respect to the LES. Afterwards, in order to separate the errors predicted in the wake flow and the errors introduced in the cascade passage by the RANS simulations, the LES is post-processed to derive suitable inlet boundary conditions downstream of the trailing edge for the RANS simulation wake domain. A grid study is performed to ensure grid independent results. The total pressure loss coefficient, the strain rate tensor, the Reynolds stress tensor and its anisotropy are the inspected flow quantities in the comparison between the RANS and LES simulations. The results show that the "k-omega" model is able of capturing the total pressure loss and the strain rate tensor, while the turbulence state shows deviations with the LES and it is not capable to accurately reproduce the Reynolds stress tensor and its anisotropy.

Lo sviluppo di componenti di turbomacchine per motori aeronautici e per la generazione di energia si basa principalmente sull'uso della fluidodinamica computazionale. A causa dell'elevato numero di simulazioni necessarie per la loro ottimizzazione, l'approccio Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) con modelli di turbolenza verrà utilizzato nel settore industriale per molti anni a venire. Tuttavia, i modelli di turbolenza semi-empirici sono stati sviluppati e calibrati per flussi relativamente semplici con varie ipotesi semplificative, mentre il flusso nelle turbomacchine, in particolare nel funzionamento fuori progetto, è complesso e talvolta difficile da prevedere. D'altra parte, i metodi scale resolving, come la Large Eddy Simulation (LES) o la Direct Numerical Simulation (DNS), sono attualmente limitati a bassi numeri di Reynolds nel contesto industriale, poiché richiedono un elevato sforzo computazionale per risolvere (parzialmente) tutte le scale spaziali e temporali della turbolenza. Tuttavia, nell'ambito della ricerca, le simulazioni LES e DNS sono attuabili per configurazioni e punti operativi selezionati. Diverse ricerche hanno provato l'affidabilità delle simulazioni LES e DNS, che possono essere utilizzate per assicurare la validità dei modelli di turbolenza di ordine inferiore e contribuire al loro sviluppo. Nell'ambito di questa tesi, è stato studiato il processo di miscelazione del flusso turbolento di una scia di una schiera di pale di un compressore con il modello di turbolenza RANS "k-omega" e confrontato con i risultati di una simulazione LES della stessa geometria. Questo lavoro mira a identificare i deficit dei modelli di turbolenza e a fornire approcci per migliorarli. Si parte da un’analisi teorica in merito alle caratteristiche del flusso di una scia turbolenta. In seguito, viene condotto lo studio per ricavare il setup numerico per le simulazioni RANS sulla schiera di un compressore. In primo luogo, viene condotto uno studio sul livello di turbolenza in ingresso, garantendo così condizioni operative simili rispetto alla LES. Successivamente, per separare gli errori introdotti nella zona di scia e quelli nel passaggio del fluido all'interno del canale palare nelle simulazioni RANS, la simulazione LES viene post-processata per ricavare le condizioni al contorno d'ingresso per il dominio di scia della simulazione RANS, collocato a valle del bordo di uscita della schiera di pale. Per garantire risultati indipendenti dal livello di densità della Mesh adottata, viene svolta un‘analisi di sensitività della griglia "Mesh Sensitivity Analysis". Il coefficiente di perdita di pressione totale, il tensore di deformazione, il tensore degli sforzi di Reynolds e la sua anisotropia sono le quantità fluidodinamiche prese in considerazione nel confronto tra le simulazioni RANS e LES. I risultati mostrano che il modello "k-omega" è in grado di catturare la perdita di pressione totale e il tensore di deformazione, mentre lo stato turbolento mostra deviazioni con la LES e non è in grado di riprodurre accuratamente il tensore degli sforzi di Reynolds e la sua anisotropia.