Ottimizzazione fluidodinamica dei componenti delle turbine a gas per propulsione aerea e produzione energetica

I metodi di ottimizzazione sono allo stato attuale strumenti di grande potenza e versatilità, che trovano applicazione in diversi campi dell’ingegneria, grazie anche alle crescenti potenze di calcolo ottenibili oggi dai moderni calcolatori.
L’obiettivo dei metodi di ottimizzazione applicati ai componenti delle turbine a gas è quello di modificare la configurazione geometrica di una schiera palare al fine di migliorarne le prestazioni, attraverso l’utilizzo di specifici software di calcolo, sia commerciali, sia sviluppati in proprio.
Attraverso la modifica del modello parametrico della macchina è possibile ottenere numerose configurazioni geometriche, che sono successivamente analizzate e caratterizzate mediante un risolutore Navier Stokes.
La strategia di ottimizzazione è basata su meta modelli: la funzione obiettivo, modellata attraverso una rete neurale artificiale, è minimizzata attraverso l’uso di un algoritmo genetico. La rete neurale è allenata utilizzando un database di soluzioni di calcolo 3D CFD ottenute attraverso tecniche DoE (Design of Experiments). Successivamente si effettua l’ottimizzazione con algoritmo genetico, utilizzando la rete come meta modello; il caso ottimo intermedio è poi validato attraverso un calcolo CFD 3D, i cui risultati sono impiegati per aggiornare la rete neurale. L’intero processo è solitamente integrato con un solutore FEM (Finite Element Method) in grado di condurre una analisi meccanica della resistenza strutturale della macchina. A partire dai risultati aero-termodinaminamici della simulazione CFD, il software FEM è in grado di applicare le condizioni al contorno del volume solido e di determinarne le sollecitazioni meccaniche. Infine, sulla base dei risultati dell’analisi meccanica, il loop di ottimizzazione procede modificando i parametri geometrici della macchina e ripetendo l’analisi aerodinamica sino al raggiungimento di una configurazione ottima.
Il laboratorio di progettazione di turbomacchine per l’energia e la propulsione è impegnato in diversi progetti di Ricerca volti all’impiego di tecniche di ottimizzazione per il miglioramento del rendimento delle turbomacchine, anche in collaborazione con aziende operanti nel territorio ligure.

Publications

Dario Barsi, Andrea Perrone, Luca Ratto, Daniele Simoni, Pietro Zunino: “Radial inflow turbine design through Multidisciplinary optimisation technique”, ASME Turbo Expo 2015, June 15 – 19, 2015, Montreal, Canada.
Roberto Canepa, Giulio Croce, Pietro Zunino, “Combined cycle power plant thermo-economic multi-objective optimization using evolutionary algorithm”, ASME IMECE 2014, Montreal, Canada, November 2014.
Dario Barsi, Carlo Costa, Carlo Cravero, Gianluca Ricci: “Aerodynamic design of a centrifugal compressor stage using an automatic optimization strategy”, ASME Turbo Expo 2014, June 16 – 20, 2014, Düsseldorf, Germany.
Luca Ratto, Antonio Satta: “A simplified method with local correlations for the analysis of multistage axial turbine”, ASME Turbo Expo, June 14-18, 2010, Glasgow.
Renato Gazzano, Luca Ratto, Antonio Satta: “Optimized design and analysis of a small waterjet propulsion system”, III International Conference on Computational Methods in Marine Engineering, 2009.