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Il seguente lavoro è stato eseguito nella galleria del vento S1 dell'istituto di ricerca per fluidodinamica Von Karman in Belgio.
L'obbiettivo principale di questo elaborato era caratterizzare un campo di turbolenza all'ingresso di una schiera lineare di pale a bassa pressione, attraverso l'anemometria a filo caldo.
Il flusso d'aria che caratterizza la galleria del vento è tipico delle turbine a bassa pressione, ovvero: regimi di compressibilità e rarefazione del gas date da bassa densità e alte velocità.
In queste situazioni di flusso, la letteratura a riguardo è poco sviluppata, poiché attraverso l'anemometria a filo caldo , causa effetti di compressibilità e rarefazione, è particolarmente complicato ottenere tecniche consolidate, come invece accade nei regimi di flusso incompressibili.
Nei regimi incompressibili il numero di Nusselt, che caratterizza lo scambio termico tra l'hot wire e il flusso è solo funzione del numero di Reynolds e quindi risulta facile costruire una curva lineare di calibrazione. Nei regimi compressibili e rarefatti il Nusselt è anche funzione del numero di Knudsen e quindi anche del Mach rendendo non più lineare la curva.
Quindi in questo lavoro è stata ricavata una mappa in funzione dei Numeri di Nusselt-Reynolds-Knudsen attraverso delle correlazioni a cinque , sei e otto coefficienti che andavano a fittare i dati sperimentali.
La metodologia scelta per ricavare livelli di turbolenza e scali integrali è basata sull'analisi di sensitività.
L'equazione di sensitività che caratterizza la fisica dello scambio termico fra Hot wire e il flusso d'aria è basata su fluttuazioni di velocità, densità e temperatura .
Nei regimi incompressibili questa è solo in pratica funzione delle fluttuazioni di velocità. Quando si passa a regimi rarefatti non si possono più trascurare le fluttuazioni di densità . Quindi, trascurando le fluttuazioni di temperatura , rimane un sistema in due equazioni in due incognite( fluttuazioni di densità e velocità) che portano dunque la necessità di utilizzare una sonda composta da due fili(X-wire).
Nell' equazione di sensitività è stato inerito anche l'effetto dell'inclinazione del flusso sullo scambio di calore con i fili e quindi l'equazione di sensitività era funzione anche delle fluttuazioni angolari.
Attraverso la calibrazione prima citata è stato possibile ricavare i valori di sensitività alla velocità e alla densità e inoltre anche attraverso una calibrazione angolare sono stati ricavati i coefficienti di sensitività angolari per entrambi i fili.
La campagna sperimentale è stata effettuata in 3 diverse condizioni di flusso con e senza l'utilizzo di una griglia generatrice di turbolenza posizionata ad una distanza di 400mm dalla pala centrale della schiera.
I risultati ottenuti in condizioni nominali sono stati rispettati confrontati con i valori attesi di turbolenza. Mentre per i casi off design i risultati finali si distaccano leggermente dai valori attesi poiché in quelle condizioni di flusso sono stati acquisiti meno punti di calibrazione rispetto al caso nominale, comportando valori di sensitività che non rispecchiano la reale situazione in tali condizioni.


In inglese:

The following work was carried out in the S1 wind tunnel of the Von Karman Fluid Dynamics Research Institute in Belgium.
The main objective of this study was to characterize a turbulence field at the inlet of a linear low-pressure blade array using hot-wire anemometry.
The airflow in the wind tunnel is typical of low-pressure turbines, with compressibility and gas rarefaction regimes resulting from low density and high speeds.
In these flow conditions, the literature is limited because, due to compressibility and rarefaction effects, it is particularly challenging to obtain established techniques through hot-wire anemometry, as is the case with incompressible flow regimes.
In incompressible regimes, the Nusselt number, which characterizes the heat exchange between the hot wire and the flow, is only a function of the Reynolds number, making it easy to construct a linear calibration curve. In compressible and rarefied regimes, the Nusselt number also depends on the Knudsen number and thus on the Mach number, making the curve no longer linear.
Therefore, in this work, a map was derived as a function of the Nusselt-Reynolds-Knudsen numbers through correlations with five, six, and eight coefficients that fitted the experimental data.
The methodology chosen to derive turbulence levels and integral scales is based on sensitivity analysis.
The sensitivity equation characterizing the heat exchange between the hot wire and the airflow is based on velocity, density, and temperature fluctuations.
In incompressible regimes, this equation is practically only a function of velocity fluctuations. When transitioning to rarefied regimes, density fluctuations cannot be neglected. Therefore, neglecting temperature fluctuations leaves a system with two equations in two unknowns (density and velocity fluctuations), thus necessitating the use of a probe composed of two wires (X-wire).
The sensitivity equation also includes the effect of flow inclination on heat exchange with the wires, making the sensitivity equation a function of angular fluctuations as well.
Through the aforementioned calibration, it was possible to obtain velocity and density sensitivity values, and also through angular calibration, angular sensitivity coefficients were obtained for both wires.
The experimental campaign was conducted under three different flow conditions with and without the use of a turbulence-generating grid positioned 400mm from the central blade of the array.
The results obtained under nominal conditions were in line with the expected turbulence values. However, for off-design cases, the final results slightly deviated from the expected values because fewer calibration points were acquired under those flow conditions compared to the nominal case, resulting in sensitivity values that did not reflect the actual situation under those conditions