Controllo della transizione e della separazione dello strato limite e delle scie palari

Il controllo della separazione e della transizione dello strato limite rappresenta ad oggi uno dei più importanti strumenti a disposizione per sviluppare componenti aerodinamicamente aggressivi, come pale ad elevata portanza e condotti diffusori compatti, dove gli elevati gradienti avversi di pressione possono indurre la separazione della vena fluida, e con essa una drastica caduta di efficienza aerodinamica. Il controllo delle scie palari risulta invece particolarmente importante per l’attenuazione del rumore tonale generato a causa all’interazione rotore-statore presente in una turbomacchina.
I sistemi di controllo che possono essere impiegati per tali scopi si suddividono, in relazione all’apporto energetico richiesto per il loro azionamento, in attivi e passivi. Il loro principio di funzionamento si basa su due differenti effetti indotti sul campo di moto istantaneo:
- introduzione di turbolenza localizzata per promuovere una transizione anticipata dello strato limite e quindi sfruttare la maggior resistenza alla separazione dello strato limite turbolento (per controllare la transizione e la separazione laminare);
- trasferimento/introduzione di quantità di moto in vicinanza della parete per controllare la separazione, sia laminare che turbolenta, e le scie palari;
Negli ultimi anni diverse attività di ricerca sono state portate avanti all’interno del Laboratorio di Aerodinamica e Turbomacchine al fine di caratterizzare i benefici indotti da differenti sistemi di controllo, verificando la loro possibile applicazione all’interno di componenti di macchine a fluido:
- Controllo della separazione laminare dello strato limite su pale di turbina ad elevatissima portanza mediante turbolatore (sistema passivo promotore di turbolenza localizzata);
- Controllo della separazione laminare dello strato limite su pale di turbina ad elevatissima portanza mediante getto sintetico (sistema che genera, mediante un ciclo pulsato a portata netta nulla, sia trasferimento di quantità di moto sia turbolenza localizzata).  L’assenza di portata netta necessaria al suo funzionamento lo rende particolarmente attrattivo nell’impiego su componenti di turbomacchine;
- Controllo della separazione turbolenta all’interno di diffusori aggressivi mediante generatori di vortici che inducono un intenso trasferimento di quantità di moto verso la parete;
- Controllo delle scie palari tramite aspirazione e soffiaggio di quantità di moto lungo le superfici palari e/o dal bordo di uscita.

Publications

- Simoni D., Ubaldi M., Zunino P., Bertini F., “Transition Mechanisms in Laminar Separation Bubbles With and Without Incoming Wakes and Synthetic Jet Effects”. Experiments in Fluids, Vol. 53, 2012, pp. 173-186
- Lengani D., Simoni D., Ubaldi M., Zunino P., Bertini F. ”Application of a Synthetic Jet to Control  Boundary Layer Separation under Ultra-High-Lift Turbine Pressure Distribution”, Flow, Turbulence and Combustion, Vol. 87, 2011, pp. 597-616
- Lengani D., Simoni D., Ubaldi M., Zunino P., Bertini F. “Turbulent Boundary Layer Separation Control and Loss Evaluation of Low Profile Vortex Generators”, Experimental Thermal and Flow Sciences, Vol. 35, 2011, pp. 1505–1513
- Satta, F., Ubaldi, M., Zunino, P., Schipani, C., 2010, “Wake Control by Boundary Layer Suction Applied to a High-Lift Low-Pressure Turbine Blade”, ASME Turbo Expo 2010, Glasgow, June 14-18, ASME Paper GT2010-23475, pp. 1-12
- Satta F., Simoni D., Ubaldi M., Zunino P., Bertini F., Spano E., “Velocity and Turbulence Measurements in a Separating Boundary Layer with and without Passive Flow Control”, Proc. IMechE  Part A: Journal of Power and Energy, Vol. 221, 2007, pp. 815-823