The main topic of the thesis is the application of uncertainty quantification (UQ) techniques to the numerical simulation (CFD) of twin entry radial turbines used in automotive turbocharging. The detailed study of this type of turbomachinery is addressed in chapter 3, aimed at understanding the main parameters which characterize and influence the fluid dynamic performance of twin scroll turbines. Chapter 4 deals with the development of an in-house platform for UQ analysis through ‘Dakota’ open source toolset. The platform was first tested on a test case of industrial interest, i.e. a supersonic de Laval nozzle (chapter 5); the analysis highlighted the practical use of uncertainty quantification techniques in predicting the performance of a nozzle affected by off-design conditions with fluid dynamic complexity due to strong non-linearity. The experience gained with the UQ approach facilitated the identification of suitable methods for applying the uncertainty propagation to the CFD simulation of twin entry radial turbines (chapter 6). In this case different uncertainty quantification techniques have been investigated and put into practice in order to acquire in-depth experience on the current state of the art. The comparison of the results coming from the different approaches and the discussion of the pros and cons related to each technique led to interesting conclusions, which are proposed as guidelines for future uncertainty quantification applications to the CFD simulation of radial turbines. The integration of UQ models and methodologies, today used only by some academic research centers, with well established commercial CFD solvers allowed to achieve the final goal of the doctoral thesis: to demonstrate to industry the high potential of UQ techniques in improving, through probability distributions, the prediction of the performance relating to a component subject to different sources of uncertainty. The purpose of the research activity is therefore to provide designers with performance data associated with margins of uncertainty that allow to better correlate simulation and real application. Due to confidentiality agreements, geometrical parameters concerning the studied twin entry radial turbine are provided dimensionless, confidential data on axes of graphs are omitted and legends of the contours as well as any dimensional reference have been shadowed.

L'argomento principale della tesi è l'applicazione delle tecniche di quantificazione dell'incertezza (UQ) alla simulazione numerica (CFD) di turbine radiali twin entry impiegate nella turbosovralimentazione automobilistica. Lo studio approfondito di questo tipo di turbomacchine è affrontato nel capitolo 3, finalizzato alla comprensione dei principali parametri che caratterizzano e influenzano le prestazioni fluidodinamiche delle turbine twin scroll. Il capitolo 4 tratta di una piattaforma per l'analisi UQ sviluppata internamente tramite il set di strumenti open source ‘Dakota’. La piattaforma è stata testata dapprima su un caso di interesse industriale, ovvero un ugello de Laval supersonico (capitolo 5); l'analisi ha evidenziato l'utilizzo pratico delle tecniche di quantificazione dell'incertezza nella previsione delle prestazioni di un ugello affetto da condizioni di fuori progetto con complessità fluidodinamica dovuta alla forte non linearità. L'esperienza maturata con l'approccio UQ ha agevolato l'identificazione di metodi idonei per applicare la propagazione dell’incertezza alla simulazione CFD di turbine radiali twin scroll (capitolo 6). In tal caso sono state studiate e messe in pratica diverse tecniche di quantificazione dell'incertezza al fine di acquisire un'esperienza approfondita sull’attuale stato dell'arte. Il confronto dei risultati ottenuti dai diversi approcci e la discussione dei pro e dei contro relativi a ciascuna tecnica hanno portato a conclusioni interessanti, che vengono proposte come linee guida per future applicazioni di quantificazione dell’incertezza alla simulazione CFD delle turbine radiali. L'integrazione di modelli e metodologie UQ, oggi utilizzati solo da alcuni centri di ricerca accademica, con solutori CFD commerciali consolidati ha permesso di raggiungere l'obiettivo finale della tesi di dottorato: dimostrare all'industria l'elevato potenziale delle tecniche UQ nel migliorare, attraverso distribuzioni di probabilità, la previsione delle prestazioni relative ad un componente soggetto a diverse fonti di incertezza. Lo scopo dell’attività di ricerca consiste pertanto nel fornire ai progettisti dati prestazionali associati a margini di incertezza che consentano di correlare meglio simulazione e applicazione reale. Per accordi di riservatezza, i parametri geometrici relativi alla turbina twin entry in oggetto sono forniti adimensionali, i dati sensibili sugli assi dei grafici sono stati omessi e nelle figure si è reso necessario eliminare le legende dei contours ed ogni eventuale riferimento dimensionale.

Application of Uncertainty Quantification techniques to CFD simulation of twin entry radial turbines

OTTONELLO, ANDREA
2021-05-25

Abstract

The main topic of the thesis is the application of uncertainty quantification (UQ) techniques to the numerical simulation (CFD) of twin entry radial turbines used in automotive turbocharging. The detailed study of this type of turbomachinery is addressed in chapter 3, aimed at understanding the main parameters which characterize and influence the fluid dynamic performance of twin scroll turbines. Chapter 4 deals with the development of an in-house platform for UQ analysis through ‘Dakota’ open source toolset. The platform was first tested on a test case of industrial interest, i.e. a supersonic de Laval nozzle (chapter 5); the analysis highlighted the practical use of uncertainty quantification techniques in predicting the performance of a nozzle affected by off-design conditions with fluid dynamic complexity due to strong non-linearity. The experience gained with the UQ approach facilitated the identification of suitable methods for applying the uncertainty propagation to the CFD simulation of twin entry radial turbines (chapter 6). In this case different uncertainty quantification techniques have been investigated and put into practice in order to acquire in-depth experience on the current state of the art. The comparison of the results coming from the different approaches and the discussion of the pros and cons related to each technique led to interesting conclusions, which are proposed as guidelines for future uncertainty quantification applications to the CFD simulation of radial turbines. The integration of UQ models and methodologies, today used only by some academic research centers, with well established commercial CFD solvers allowed to achieve the final goal of the doctoral thesis: to demonstrate to industry the high potential of UQ techniques in improving, through probability distributions, the prediction of the performance relating to a component subject to different sources of uncertainty. The purpose of the research activity is therefore to provide designers with performance data associated with margins of uncertainty that allow to better correlate simulation and real application. Due to confidentiality agreements, geometrical parameters concerning the studied twin entry radial turbine are provided dimensionless, confidential data on axes of graphs are omitted and legends of the contours as well as any dimensional reference have been shadowed.
25-mag-2021
L'argomento principale della tesi è l'applicazione delle tecniche di quantificazione dell'incertezza (UQ) alla simulazione numerica (CFD) di turbine radiali twin entry impiegate nella turbosovralimentazione automobilistica. Lo studio approfondito di questo tipo di turbomacchine è affrontato nel capitolo 3, finalizzato alla comprensione dei principali parametri che caratterizzano e influenzano le prestazioni fluidodinamiche delle turbine twin scroll. Il capitolo 4 tratta di una piattaforma per l'analisi UQ sviluppata internamente tramite il set di strumenti open source ‘Dakota’. La piattaforma è stata testata dapprima su un caso di interesse industriale, ovvero un ugello de Laval supersonico (capitolo 5); l'analisi ha evidenziato l'utilizzo pratico delle tecniche di quantificazione dell'incertezza nella previsione delle prestazioni di un ugello affetto da condizioni di fuori progetto con complessità fluidodinamica dovuta alla forte non linearità. L'esperienza maturata con l'approccio UQ ha agevolato l'identificazione di metodi idonei per applicare la propagazione dell’incertezza alla simulazione CFD di turbine radiali twin scroll (capitolo 6). In tal caso sono state studiate e messe in pratica diverse tecniche di quantificazione dell'incertezza al fine di acquisire un'esperienza approfondita sull’attuale stato dell'arte. Il confronto dei risultati ottenuti dai diversi approcci e la discussione dei pro e dei contro relativi a ciascuna tecnica hanno portato a conclusioni interessanti, che vengono proposte come linee guida per future applicazioni di quantificazione dell’incertezza alla simulazione CFD delle turbine radiali. L'integrazione di modelli e metodologie UQ, oggi utilizzati solo da alcuni centri di ricerca accademica, con solutori CFD commerciali consolidati ha permesso di raggiungere l'obiettivo finale della tesi di dottorato: dimostrare all'industria l'elevato potenziale delle tecniche UQ nel migliorare, attraverso distribuzioni di probabilità, la previsione delle prestazioni relative ad un componente soggetto a diverse fonti di incertezza. Lo scopo dell’attività di ricerca consiste pertanto nel fornire ai progettisti dati prestazionali associati a margini di incertezza che consentano di correlare meglio simulazione e applicazione reale. Per accordi di riservatezza, i parametri geometrici relativi alla turbina twin entry in oggetto sono forniti adimensionali, i dati sensibili sugli assi dei grafici sono stati omessi e nelle figure si è reso necessario eliminare le legende dei contours ed ogni eventuale riferimento dimensionale.
Uncertainty Quantification; Twin entry radial turbines; CFD; Surrogate-Based UQ; Polynomial Chaos Expansion; Latin Hypercube Sampling; Supersonic jets; de Laval nozzle
File in questo prodotto:
File Dimensione Formato  
phdunige_3697081.pdf

accesso aperto

Tipologia: Tesi di dottorato
Dimensione 8.78 MB
Formato Adobe PDF
8.78 MB Adobe PDF Visualizza/Apri

I documenti in IRIS sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.

Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/11567/1046507
Citazioni
  • ???jsp.display-item.citation.pmc??? ND
  • Scopus ND
  • ???jsp.display-item.citation.isi??? ND
social impact