Misure LDV Caratteristiche, problematiche di misura, caratterizzazione di seeding

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1 Misure LDV Caratteristiche, problematiche di misura, caratterizzazione di seeding 1Versione: Ultimo aggiornamento: Maggio Realizzato da: C.P. Mengoni 1Originale Tesi PhD Mengoni 1Riferimenti LDV Ł Strumenti e metodi di misura, E. O. Doeblin, Mc GRAW-HILL INTERNATIONAL EDITIONS Ł Measurment System -Application and design, E. O. Doeblin, Mc GRAW-HILL INTERNATIONAL EDITIONS Ł Measurementstechniquesin fluiddynamics AnIntroduction, AnnualLecture series, Von Karman Institute for Fluid Dynamics Ł Seeding Ł Caratterizzazione SNR =f(sorgente laser, ottiche, caratteristiche fisiche seeding) (Adrian e Earley, 1976) Ł Criteri per valutazione delle caratteristiche dinamiche seeding (da, t e f) e della tecnica d inseminazione (Menone Lai, 1991) Galleria e sistemi d inseminazioned Ł Varie applicazioni (Reubush, 1985, Scheiman et al. 1985, Seegmiller 1985) 1

2 Introduzione LDV Introduzione al sistema Caratteristica del sistema utilizzato Galleria per caratterizzazione Seeding Specifiche Architettura Strumentazione della galleria Acceso ottico Sistema d inseminazione Caratterizzazione della galleria: analisi numerica, pneumatica econ LDV Caratterizzazione degli inseminanti Prove in profilo accelerante: ottica da 300mm e 500mm Prove su urti retti Applicazioni Conclusioni 2

3 Introduzione Sviluppo CFD CFD Incremento delle delle prestazioni nelle nelle macchine Comprensione dei dei fenomeni Sviluppo di di più piùaccurate tecniche di di indagine LDV Set Set up up del del Sistema Scelta Scelta delle delle lenti lenti Accesso ottico ottico Sistema di di Inseminazione Scelta del seeding 3

4 LDV introduzione al sistema non intrusivo elevata risposta in frequenza misure puntuali ampio campo di misura necessita di un accesso ottico misura la velocità del seeding Sorgente laser Fiber drive Transceiver Fotomoltiplicatori Cella di Bragg Oscilloscopio Computer DSA Traversing 4

5 LDV caratteristiche del sistema DE (esempio) Laser ad Argon (6W) Coherent INNOVA mw verde 150 mw blu DSA3000 Sistema a 3 assi Lp =500 mm Lp =300 mm Blu Verde Blu Verde d m (mm) l m (mm) d ( mm) N fr V max mis. (m/s)

6 LDV caratteristiche del sistema DE (esempio) 6

7 Galleria specifiche Possibilità di simulare range di velocità caratteristici delle turbomacchine Elevato numero di Mach Accesso ottico per misure di flusso con LDV Possibilità di misurare in un ampio campo di velocità Strumentazione della galleria con sistemi tradizionali per il confronto con i dati LDV Possibilità di inseminazione del flusso Realizzare in contemporanea misure LDV e classiche 7

8 Galleria architettura Galleria in pressione Ugello conv.-div. con sezione rettangolare Gola 30x30mm Lunghezza 600mm Accesso ottico su tutta la lunghezza Valvole regolazione Accesso per iniezione seeding a monte della camera di calma 8

9 Galleria architettura 9

10 Galleria Strumentazione Camera di calma P tot tot e T Ugello 100 P ss Scarico P tot tot 10

11 Singola faccia Galleria accesso ottico Parallelismo Lastra non lavorata Problemi legati a pressurizzazione Problemi legati alla finitura superficiale Resistenza meccanica Serraggio Distorsione del volume sonda Aumento del rumore Interferenza Planarità In trasparenza Lastra lavorata Lastra non lavorata Lastra lavorata 11

12 Galleria Sistema d inseminazione Seeding Aria diluizione Aria 12

13 Galleria Caratterizzazione P/Ptot Funzionamento stabile Condizioni ripetibili nel tempo x/l Ptot [Pa] Comprensione accurata del funzionamento della galleria per passaggio da misure di di P e T al al valore della V di di riferimento 13

14 DPtot [kpa] Dipartimento di Energetica Galleria Caratterizzazione Pneumatica Sperimentale Teorico [m/s] LDV Velocità (Po = 150 kpa) Vel. Teor. Vel Pneum. PSL P tot plenum [kpa] Posizione [mm] Differenze tra V teor V pn e V LDV Andamento su urto ritardo del seeding brusco rallentamento nuova accelerazione 14

15 Galleria Caratterizzazione LDV 500 Velocità (Po = 160 kpa) Analisi del campo di moto dopo l urtol [m/s] Vel. Teor. Vel pneum. PSL Posizione [mm]

16 Galleria Simulazione numerica Codice TRAF2D sviluppato all interno del D ED Il Il codice risolve le equazioni di Navier-Stokes utilizzando griglie di tipo H e C e impiega il il modello di turbolenza di Baldwin-Lomax. (Arnone,, A., Swanson,, R.C., 1993 e Arnone,, A., Swanson,, R.C., 1993) Geometria ugello da due profili alari affiancati 16

17 Seeding utilizzati Sospensioni in acqua al 10% di Allumina (AKP 15, AKP 30 Buehler e Alfa), Ossido di Titanio e Ossido di Zirconio Agitatore e bagno ultrasonico Sospensione in soluzione acida per creare repulsione tra particelle ed evitare l agglomerazione (M.P. Wernet, et al ) Sospensione di PSL in acqua. Reattore 17

18 Seeding utilizzati PSL TiO 2 med (mm) Indice Rifr. T Fus. ( C) Densità (g/cm 3 ) PSL < TiO < ZrO » AKP » AKP » Alfa All » Buehler » AKP15 AKP30 ZrO 2 Buehler Alfa All. 18

19 Caratterizzazione seeding v LDV 100 Qualità dinamiche Dispersione dati (RMS) Data rate Pulizia Ripetibilità 21/05 25/07 26/05 28/05 22/05 Capacità di seguire il il flusso Elevate accelerazioni Gradini di velocità Esasperazione condizioni del flusso per rendere critica la risposta Flusso Flusso accelerante supersonico con urto v pn

20 Caratterizzazione seeding Profilo accelerante Buehler AKP 15 Prove con ottica 300 mm VLDV (m/s) AKP15 ph2 AKP 30 Sospensione acida non da particolari benefici AKP30: peggior risposta V pn (m/s) Dv/v % V Pn [m/s]

21 VLDV Caratterizzazione seeding Profilo accelerante Buehler AKP15 AKP15 ph2 AKP30 VLDV Buehler PSL TiO2 ZrO2 Prove con ottica 500 mm V pn Buehler e AKP15 scarti del 10-12% con data rate di di» 2000 camp/s Nessun effetto della sospensione acida AKP 30 peggiori scarti e data rate V pn PSL: minor scarto (6%) e RMS, data rate di di» 3000 camp/s Ti0 2 : elevati data rate ZrO 2 : scarti fino a 17% 21

22 Caratterizzazione seeding urti retti 7 valori di P t nel plenum 109 kpa(v max 216 m/s) 115 kpa(v max 336 m/s) 124 kpa(v max 404 m/s) 135 kpa(v max 429 m/s) 150 kpa(v max 447 m/s) 160 kpa(v max 466 m/s) 170 kpa(v max 476 m/s) Speed [m/s] kpa 115 kpa 124 kpa 135 kpa 150 kpa 160 kpa 170 kpa PSL Intensità dell urto crescente Position [mm] Curva pneumatica nota Perdita di velocità e ritardo Efficacia dell RMS 22

23 Caratterizzazione seeding urti retti Speed [m/s] kpa 115 kpa 124 kpa 135 kpa 150 kpa 160 kpa 170 kpa PSL Position [mm] 23

24 [m/s] [m/s] Caratterizzazione seeding urti retti RMS (Po = 150 kpa) Vel. Teor. Vel Pneum. Akp15 Akp30 Alfa All. PSL [m/s] [m/s] Bue PSL TiO2 ZrO2 Vel. Teor. RMS (Po = 150 kpa) Vel Pneum Posizione [mm] Posizione [mm] 24

25 DV/V* % Caratterizzazione seeding urti retti AKP15 AKP30 Alfa All. Buehler PSL TiO2 ZrO2 P tot Pressione Totale in Camera di Calma (kpa) AKP AKP Alfa All Buehler PSL TiO ZrO PSL: bassi scarti e RMS, aderisce TiO 2 : bassi scarti e elevato scattering ZrO 2 : elevati scattering e inerzia Al 2 O 3 : migliori Buehler e AkP15 25

26 Applicazioni Profilo all interno dell ugello Velocità RMS 26

27 Applicazioni Misure allo scarico della girante di un compressore centrifugo Sincronizzazione Ritardo (DSA disabilitato) Angolo di misura (DSA abilitato) Time history reset DSA disabilitato Key phaser DSA abilitato ritardo misura Diametro esterno N di pale f ext 250 [mm] 13 Key phaser su albero veloce Encoder su albero lento 27

28 Applicazioni Ricostruzione del profilo su sistema rotante Ripetitività delle misure Dimensioni vano ridotte 28

29 29

30 Conclusioni Galleria Simulazione campo di velocità Set up del sistema in ambiente noto Sperimentazione di tecniche di inseminazione Caratteristiche dell accesso ottico Valutare le prestazioni di seeding diversi Caratterizzazione seeding 7 diversi tipi di seeding Soluzione acida PSL: miglior risposta dinamica, aderisce e T fus. bassa TiO 2 : buona risposta, non aderisce elevato scattering Buehler: migliore tra le allumine Sistema di sincronizzazione Profili di velocità su sistema di riferimento rotante 30

31 Stato dell arte Seeding Caratterizzazione SNR =f(sorgente laser, ottiche, caratteristiche fisiche seeding) (Adrian e Earley, 1976) Criteri per valutazione delle caratteristiche dinamiche seeding (d a, t e f) e della tecnica d inseminazione (Menon e Lai, 1991) Galleria e sistemi d inseminazione Varie applicazioni (Reubush, 1985, Scheiman et al. 1985, Seegmiller 1985) 31