Aerodynamic study of the laminar-turbulent transition in Open Fan configurations

Nel mondo dell'aeronautica, la costante spinta all’innovazione e al progresso del trasporto aereo in termini di prestazioni e consumo di carburante ha condotto allo sviluppo di un progetto di Open Rotor. Data l'importanza di soddisfare i requisiti di progettazione, è necessario impiegare strumenti avanzati ed utilizzabili su larga scala così da ottenere risultati affidabili, precisi e poco dispendiosi e poter quindi rispettare al meglio i margini di progetto. In questo contesto, il modello γ-Re_(θ_T ) adibito alla predizione della transizione dello strato limite e basato su una formulazione a quattro equazioni di trasporto, viene studiato come strumento di alta precisione per progredire rispetto alle tradizionali simulazioni completamente turbolente. Da quanto emerso da un approfondito studio bibliografico, la transizione laminare-turbolenta non è mai stata modellata su configurazioni di tipo Open Rotor, per cui il presente lavoro rappresenta un punto di partenza per comprenderne l'applicabilità, i vantaggi e i possibili ulteriori sviluppi. Il presente lavoro si compone di tre parti: la calibrazione e la validazione del modello γ-Re_(θ_T ) per le applicazioni del tipo Open Fan, basato sull’utilizzo di dati sperimentali; la valutazione delle prestazioni aerodinamiche e acustiche dell’Open Fan attraverso la pratica di modellizzazione sviluppata ed infine uno studio di influenza sulla transizione di vari parametri geometrici delle palette del fan. Il modello, quando correttamente calibrato, ha mostrato risultati interessanti. La natura laminare o turbolenta del flusso, i diversi meccanismi di transizione e il comportamento delle bolle di separazione sono simulati, contrariamente ai casi completamente turbolenti. Sono stati evidenziati e studiati alcuni fattori che innescano la transizione e lo studio del flusso ha permesso un'analisi aerodinamica e acustica in linea con la topologia e la natura dei fenomeni osservati. Nel lavoro sviluppato sono stati osservati un miglioramento delle prestazioni e una maggiore affidabilità dei risultati quando il metodo di predizione della transizione è impiegato. Lo studio geometrico è stato basato su simulazioni Navier-Stokes in 3D (NS3D), contrariamente alla maggioranza dei lavori bibliografici focalizzati su profili 2D. Sono state mostrate le variazioni della transizione di strato limite in presenza di modifiche geometriche su alcuni dei parametri di progettazione più importanti per le palette di una turbomacchina, permettendo di ricavare delle linee guida per la progettazione preliminare di questi componenti. La previsione della transizione dello strato limite attraverso il modello γ-Re_(θ_T ) è quindi uno strumento utile da sfruttare nella fase di progettazione preliminare per consentire una visione più approfondita del fenomeno della transizione che si verifica nelle turbomacchine, capire come controllarlo e quindi permettere una ottimizzazione geometrica, operazionale e fluidodinamica delle palette di Open Fan.