Descrizione del fenomeno Metodologia d indagine Setup di sperimentazione Test e validazione Conclusioni

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1 Facchini B. Manfrida G. Fiaschi D. Studente Curtatone R. Prove sperimentali in galleria del vento: analisi del film cooling su un modello di schiera statorica di turbina a gas Descrizione del fenomeno Metodologia d indagine Setup di sperimentazione Test e validazione Conclusioni

2 Descrizione del fenomeno Rapporto adimensionale di blowing del refrigerante Flusso di calore scambiato: q = h ( ) T w T aw Efficacia del Film Cooling: η = T aw T ρ u M = 2 2 ρ u 2 T T

3 Metodologia d indagine analisi gas Efficacia del film cooling: η = T aw T 2 T T Taw : temperatura di parete adiabatica T2 : temperatura del fluido iniettato Too: temperatura del flusso principale PARAMETRI CHE INFLUENZANO IL FILM COOLING α : angolo d iniezione, p / d : distanza relativa tra i fori, diametro del foro d Condizioni al contorno (laminare o turbolento) Rapporto adimensionale di blowing del refrigerante Proprietà dei fluidi: refrigerante e principale Curvatura della superficie Rapporto adimensionale di blowing del refrigerante Numero di Schmidt equivalente In assenza d inquinamento al numero di Prandtl η = c w C w C 2 c 2 c c Caw: frazione in massa del gas secondario sulla parete impermeabile C2: frazione in massa del gas secondario presente nel flusso principale Coo: frazione in massa del gas secondario presente nel flusso secondario ρ u M = 2 2 ρ u

4 Setup di Sperimentazione - galleria Temperatura ambiente 15 Pressione ambiente mbar Angolo pale ventilatore 9,6 Frequenza inverter motore ventilatore 24 Hz Velocità letta dal pitot di valle 4,8 m/s (canale 4) Velocità letta dal pitot mobile 5,1 m/s (canale 3) Pianta della galleria del vento (A): contrazione iniziale; (B) zona di sviluppo dello strato limite; (C) sezione di prova (2.40 x 1.60 m); (D) raccordo sezione; (E) motore (160 kw); (F) diffusori.

5 Setup di Sperimentazione analisi gas Le pale, realizzate in vetro resina, sono lunghe 30 cm e larghe 20 cm e riproducono pale statoriche in scala 2:1 di una turbina a gas al alta efficienza. Il passo tra le pale è di 20 cm.

6 Setup di Sperimentazione analisi gas - modifiche η Prese analisi gas aggiunte Sono state aggiunte 3 prese per l analisi del gas in prossimità della zona di massimo rendimento del film cooling + 13 prese ad altezze diverse, poste a 2 cm di distanza dal trailing edge. La schiera è stata montata fissa tra soffitto e piano della galleria. ηf 0 xf D x D

7 Strumentazione di misura analisi gas Linee per ogni canale: 12 Numero di letture in contemporanea: 2 Frequenza campionamento: 500 Hz Numero di acquisizioni: Tempo di acquisizione: 180 s Prelievo Sezione di prova Acquisizione dei campioni Adduzione Linee A (1-12) Linee B (1-12) Selezione Analisi dei campioni Linea Ai Linea Bj Gascromatografo FID 1 FID 2 Strumentazione testata e collaudata Elaborazione dati Elaborazione dati

8 Strumentazione di misura analisi gas Pompa vuoto Sistema aspirazione a pompe peristaltiche Gascromatografo

9 Strumentazione di misura analisi gas Concentrazione di etilene: ppm = volt a + Concentrazione di CO2: ppm CO b 2 = ppm C 2 H 6 Concentrazione (ppm) ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Tensione (V) y = 174,97x - 9,4852 R 2 = 0,9994 y = 270,69x - 12,962 R 2 = 0,994 ppm c2h6 FID 1 [V] FID 2 [V] Punto 0 0,0508 0,0415 Punto 54,1 0,3712 0,2641 Punto 99,8 0,6202 0, FID 1 FID 2 Lineare (FID 1) Lineare (FID 2)

10 Strumentazione di misura elab. dati analisi gas fid 1 [V] fid 2 [V] pitot quote ppm conversione 8R 0,079 asse X 1 96,39 1,35 1R 0,0962 asse X 2 96,38 1,09 10R 0,0969 asse X 2,5 96,38 1,08 2R 0,0933 asse X 3 96,38 1,13 11R 0,0954 asse X 3,5 96,38 1,10 3G 0,0998 asse X 4,5 97,59 1,59 10G 0,1487 asse X 6 97,51 1,03 11G 0,1462 asse X 8 97,52 1,05 2G 0,1239 asse X 13 97,54 1,25 9G 0,1482 asse X 21 97,51 1,03 7R 0,0889 asse Y 5 96,38 1,19 5R 0,0957 asse Y 4 96,38 1,10 9R 0,0955 asse Y 3,5 96,38 1,10 6R 0,0926 asse Y 3 96,38 1,14 3R 0,0917 asse Y 2,5 96,38 1,15 4R 0,0968 asse Y 2 96,38 1,08 A 0,1479 asse Y 1,5 99,80 1,00 1G 0,1473 asse Y 1 97,51 1,04 8G 0,1399 asse Y 0,5 97,52 1,10 6G 0,1486 asse Y 0 97,51 1,03 5G 0,1494 asse Y -0,5 97,51 1,03 4G 0,1476 asse Y -1 97,51 1,04 7G 0,1463 asse Y -1,5 97,52 1,05 bckg - B 0, ,80 1,00 B [ppm] [ppm] 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 ASSE LATO IN PRESSIONE 10, ,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 distanza [cm] TRAVERSO LUNGO IL PASSO ,0 distanza [cm] 8R 1R 10 2R 11 3G G 9G 5 cm - 7R 4 cm - 5R 3,5 cm - 9R 3 cm - 6R 2,5 cm - 3R 2 cm - 4R 1,5 cm - A 1 cm - 1G 0,5 cm - 8G 0 cm - 6G - 0,5 cm - 5G - 1 cm - 4G - 1,5 cm - 7G

11 Strumentazione di misura elab. dati analisi gas Acquisizione segnale: Andamento temporale (Matlab file acq8tlo3.m)

12 Test - Validazione analisi gas eta eta 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0,50 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 FIMCOOL.exe - variazione Vc 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 distanza [m] Prove effettuate - variazione - Vc - Vc Curve - Curve test test (k = 1) 0,00 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 distanza [m] M = 0,45 M = 0,60 M = 0,80 M = 1,02 M = 0,45 M = 0,45 M = 0,60 M = 0,60 M = 0,80 M = 0,80 M = 1,02 M = 1,02 Setup parametri FIMCOOL Parametro Simbolo U.M. Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4 Densità aria ρf Kg/m3 1,2 1,2 1,2 1,2 Densità fluido refrigerante ρc Kg/m3 1,8 1,8 1,8 1,8 Rapporto di densità ρc/ρf - 1,5 1,5 1,5 1,5 Velocità flusso principale vc m/s Velocità fluido refrigerante Vf m/s 1,5 2 2,67 3,4 Rapporto di blowing M - 0,45 0,6 0,8 1,02 Diametro dei fori D mm Perimetro bagnato P m 14,41E-03 14,41E-03 14,41E-03 14,41E-03 Area A m2 7,06 E-06 7,06 E-06 7,06 E-06 7,06 E-06 Passo s mm Rapporto passo/diametro s/d Lunghezza L del foro L/D Numero dei fori n Distanza del punto d iniezione da l.e. x/d η = Angolo d iniezione α Efficacia Film Cooling (Goldstein) ppmco2 mwco ppmco2 ppmco2 mwco2 + 1 mwaria

13 Metodologia d indagine PIV Sistema Dantec Telecamera kodak CCD 1016X1008 Px Ottica 60 mm (valutazione di grandangolare) Laser Quantel - Massima frequenza 15 Hz

14 Metodologia d indagine PIV Acquisizione di due immagini consecutive 125 ms Creazione di mappe vettoriali, streamlines e mappe scalari di isovelocità crosscorrelazione

15 Setup di Sperimentazione - PIV E stato rimosso il montante dalla parte della telecamera ed acquisito un immagine di fondo da sottrarre alle acquisizioni successive.

16 Test - Risultati PIV E stato montato un flussimetro digitale con i seguenti voltaggi, per ottenere le 4 portate di prova corrispondenti rispettivamente a: M 0,45 ; 0,60 ; 0,80 ; 1,02. V=1.792 V=2.387 V=3.180 V=4.052

17 Test - Risultati PIV Isomodulo di velocità e linee di flusso: M 0,45 M 0,60 M 0,80 M 1,02

18 Test - Risultati PIV Successivamente è stato spostato l ottica verso la zona a flusso indisturbato; verso il trailing edge ed un inquadratura ravvicinata con e senza tracciante (alla portata corrispondente a M = 1,02). Dietro Indisturbato Vicino no getto Vicino getto

19 Test - Risultati PIV Isomodulo di velocità e linee di flusso: Vicino no getto Getto 2 m/s Dietro Getto 3,4 m/s

20 Strumentazione di misura elab. dati PIV Le 1. linee Dati d interesse in formato sono: testo I. lungo dalla PIV il passo II. 2. lungo Importazione il lato in in pressione Tecplot con III. al creazione 20% della della distanza griglia estrazione il lato 3. in Dati pressione in formato e testo quello da Tecplot in 4. depressione Importazione in Excel e plottaggio IV. al 50% della 5. Eliminazione di dati medesima outlier 6. distanza Plottaggio V. lungo successivo il lato in depressione

21 Strumentazione di misura elab. dati PIV Descriptive Statistics 0,52 0,2 0,4 0,62 0,6 0,8 95% Confidence Interval for Mu 0,72 Eliminazione outliers con criterio di Chauvenet 0,82 95% Confidence Interval for Median 1,0 0,92 Variable: U3 Anderson-Darling Normality Test A-Squared: P-Value: Mean StDev Variance Skewness Kurtosis N Minimum 1st Quartile Median 3rd Quartile Maximum 0,408 0,305 0, , ,03E-02-5,4E-01-5,1E , , , , , % Confidence Interval for Mu 0, , % Confidence Interval for Sigma 0, , % Confidence Interval for Median 0, , ,75 Dispersione dei dati: Minitab Descriptive Statistic Analisi modulo U3 e U7 0,4 0,85 0,8 1,2 95% Confidence Interval for Mu 0,95 1,05 1,15 95% Confidence Interval for Median Descriptive Statistics 1,6 1,25 1,35 Variable: U7 Anderson-Darling Normality Test A-Squared: P-Value: Mean StDev Variance Skewness Kurtosis N Minimum 1st Quartile Median 3rd Quartile Maximum 0, , , ,224 0,786 1, , , , ,1E , , , , , % Confidence Interval for Mu 1, % Confidence Interval for Sigma 0, % Confidence Interval for Median 1,32949

22 Strumentazione di misura elab. dati PIV U (m/s) U (m/s) U-pressure 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 0% -0,50 20% 40% 60% 80% 100% 120% X/C (-) U-50%passo 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 0% -0,50 20% 40% 60% 80% 100% 120% X/C (-) 0,45 0,60 0,80 1,02 pala 1 pala 2 iniezione 0,45 0,60 0,80 1,02 pala 1 pala 2 iniezione U (m/s) U (m/s) U-20%passo 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 0% -0,50 20% 40% 60% 80% 100% 120% X/C (-) U-suction 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 0% -0,50 20% 40% 60% 80% 100% 120% X/C (-) 0,45 0,60 0,80 1,02 pala 1 pala 2 iniezione 0,45 0,60 0,80 1,02 pala 1 pala 2 iniezione

23 Strumentazione di misura elab. dati PIV 3,5 U-suction-pressure M=0,45 3,5 U-suction-pressure M=0,6 U (m/s) 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0% -0,5 20% 40% 60% 80% 100% 120% U (m/s) 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0-0,5 X/C (-) U-suction-pressure M=0,8 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% X/C (-) pala 1 pala 2 iniezione pressure 20% 50% suction pala 1 pala 2 iniezione pressure 20% 50% suction U (m/s) U (m/s) -0,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% -0,5 X/C (-) 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 U-suction-pressure M=1,02 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% X/C (-) pala 1 pala 2 iniezione pressure 20% 50% suction pala 1 pala 2 iniezione pressure 20% 50% suction

24 Conclusioni 0,00 0,05 0,05 0,10 0,10 0,30 0,25 0,25 0,20 0,20 0,15 0,15 0,10 M = 0,45 M = 0,6 0,00 0,30 0,25 0,25 0,20 0,20 0,15 0,15 0,10 0,05 M = 0,8 M = 1,02 0,05 0,30 0,30 Per uniformare i due grafici, è stato esportato come bitmap ognuna delle curve di efficacia, con l analoga asse di ascissa. L immagine è stata poi ruotata e disposta lungo la corda, ingrandendola fino alla giusta misura. 0,00 0,00

25 Conclusioni Un aumento della concentrazione, nella zona del trailing edge è stata evidenziata dalle analisi del lato in pressione; presumibilmente dovuto al fatto che la zona è separata e può esservi un accumulo di refrigerante. Per quanto riguarda l asse traverso lungo il passo, sembra corretto che la concentrazione aumenti alzandosi di quota dal trailing edge. I test effettuati con la PIV hanno evidenziato l andamento delle velocità all aumentare delle portate di refrigerante. Il valore di velocità nella zona indisturbata è identico a quello misurato dal pitot di valle della galleria. Ragionevolmente, la velocità diminuisce all imbocco della schiera, con l incremento della pressione, per poi aumentare nella zona di uscita. La prova con inquadratura ravvicinata e getto di refrigerante, ha evidenziato l angolo di uscita del gas, prossimo ai 30 attesi. Dalla sovrapposizione dei dati di PIV e curve di efficacia, sembra che i migliori risultati si abbiano per M = 0,6 0,8.