Appunti Experimental techniques and performance test methods for power plants and fluid machinery

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI BERGAMO

Dipartimento di Ingegneria e Scienze Applicate

Metodologie sperimentali

per le macchine e collaudo

di impianti energetici

·

Teoria della misura Tecniche convenzionali di misura

·

Prove di prestazione Sperimentazione sulle macchine a fluido

Tecniche avanzate di misura

Docenti prof. G. Barigozzi

dr. H. Abdeh

Appunti a cura di Cristiano Rollo

Anno accademico 2020/2021

Indice

Notazione e simboli 7

I Teoria della misura 9

1 Teoria della misura 10

1.1 Scopo e progetto di una campagna sperimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.2 Catena di misura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.3 Errore di misura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.4 Rappresentazione statistica dell’errore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.5 Calibrazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.6 Elementi di statistica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.7 Incertezza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.8 Strumenti lineari e sensibilità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.9 Catena completa: misura della pressione totale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.10 Propagazione dell’incertezza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.11 Caratteristiche statiche e dinamiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.12 Risposta nel dominio del tempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.13 Calibrazione dinamica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.14 Manipolatori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.15 Acquisizione dei dati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.16 Tipi di dati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.17 Acquisizione phase-locked e media d’insieme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

II Tecniche convenzionali di misura 28

2 Misure di pressione 29

2.1 Grandezze da misurare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.2 Presa di pressione a parete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.3 Sonde di pressione statica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.4 Sonda a cuneo a due fori e calibrazione angolare . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.5 Misura della pressione totale: tubo di Pitot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.6 Sonda a tre fori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3 Trasduttori di pressione 38

3.1 Funzione e classificazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.2 Classificazione per pressione di riferimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.3 Classificazione per principio di funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.4 Manometri a liquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.5 Trasduttori meccanici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.6 Trasduttori elettrici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

1

Indice 2

4 Misure di temperatura 48

4.1 Classificazione degli strumenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.2 Effetti termoelettrici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.3 Compensazione del giunto freddo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.4 Prestazioni e varianti delle termocoppie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.5 Termoresistenze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.6 Termometri a radiazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.7 Misura di temperatura in un gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5 Misure di portata 58

5.1 Grandezze e criteri di scelta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

5.2 Classificazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

5.3 Misuratori a strozzamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5.4 Rotametro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

5.5 Misuratore a turbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

5.6 Misuratore elettromagnetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

5.7 Misuratore a ultrasuoni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

5.8 Misuratore a vortici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

5.9 Misuratori di portata massica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

5.10 Flussi irregolari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

6 Umidità e altre misure 71

6.1 Grandezze dell’aria umida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

6.2 Classificazione degli igrometri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

6.3 Igrometri diretti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

6.4 Igrometro a specchio raffreddato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

6.5 Psicrometro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

6.6 Confronto fra gli igrometri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

6.7 Misura di potenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

III Prove di prestazione 77

7 Collaudo e curve caratteristiche 78

7.1 Prestazioni garantite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

7.2 Il confine di prova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

7.3 La procedura di prova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

7.4 Grandezze da ricavare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

7.5 Curve di correzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

7.6 Correzione e criterio di accettazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

7.7 Prove sulle macchine a fluido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

7.8 Turbina a gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

7.9 Compressore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

7.10 Pompa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

IV Sperimentazione sulle macchine a fluido 92

8 Banco prova 93

8.1 La galleria del vento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

Indice 3

8.2 Classificazione degli impianti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

8.3 Galleria a circuito chiuso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

8.4 Galleria lineare a circuito aperto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

8.5 Impianti a funzionamento intermittente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

8.6 Regole di similitudine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

8.7 Flessibilità delle condizioni operative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

8.8 Le gallerie del laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

8.9 Il punto di funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

8.10 Intensità di turbolenza e suo decadimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

8.11 Le condizioni di ingresso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

8.12 Periodicità del flusso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

9 Interazione fra flusso e profilo 108

9.1 Equazioni di governo e forze sul corpo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

9.2 Il flusso potenziale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

9.3 Il paradosso di d’Alembert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

9.4 Circolazione, vortice di avviamento e condizione di Kutta . . . . . . . . . . . . 111

9.5 Misura del carico sul profilo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

9.6 Coefficiente di portanza e stallo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

9.7 Effetti tridimensionali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

9.8 La resistenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

9.9 Dal profilo isolato alla schiera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

9.10 Perdite di profilo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

9.11 Perdite tridimensionali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

10 Visualizzazione del flusso 119

10.1 Classificazione dei metodi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

10.2 Introduzione di materiale estraneo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

10.3 Metodi ottici: propagazione della luce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

10.4 Shadowgraph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

10.5 Schlieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

10.6 Interferometro di Mach-Zehnder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

10.7 Interferometria olografica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

11 Flussi secondari 139

11.1 Cause . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

11.2 Modelli fisici elementari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

11.3 Modelli di vorticità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

11.4 Vortice d’angolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

11.5 Quadro d’insieme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

11.6 Effetti sul flusso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

11.7 Perdite secondarie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

11.8 Effetto dell’incidenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

11.9 Effetto della comprimibilità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

12 Sonda di pressione a cinque fori 152

12.1 Caratteristiche della misura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

12.2 Geometria della sonda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

12.3 Prove preliminari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

Indice 4

12.4 Principio della calibrazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

12.5 Galleria e procedura di calibrazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

12.6 La griglia di misura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

12.7 Riduzione dei dati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

12.8 Grandezze derivate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

12.9 Pregi e limiti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

13 Indagini sui flussi secondari 161

13.1 Grandezze rilevate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

13.2 Schiera anulare con parete sagomata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

13.3 Schiera lineare al variare dell’incidenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

13.4 Sintesi delle due campagne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

14 Fondamenti di teoria dello strato limite 173

14.1 Lo strato limite e lo sforzo alla parete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

14.2 Che cosa impone la misura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

14.3 Struttura dello strato limite turbolento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

14.4 Evoluzione lungo la paletta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

14.5 La carta di Clauser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

14.6 Parametri integrali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

14.7 La transizione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

14.8 Gradiente di pressione e separazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

V Tecniche avanzate di misura 188

15 Anemometria a filo caldo 189

15.1 Caratteristiche della tecnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

15.2 Principio di funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

15.3 La legge di King . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

15.4 Taratura in velocità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

15.5 Sensibilità angolare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

15.6 Taratura angolare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

15.7 La tecnica a rotazione multipla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

15.8 Sonde a più fili . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

15.9 Effetto della temperatura del flusso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

16 Velocimetria laser Doppler 203

16.1 Caratteristiche della tecnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

16.2 Principio di funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

16.3 Diffusione della luce e raccolta del segnale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

16.4 Generazione e rivelazione del segnale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

16.5 Elaborazione del segnale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

16.6 Ambiguità di direzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214

16.7 Architettura di un sistema a due componenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

16.8 Errori di misura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

16.9 Le particelle traccianti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

16.10Generatori di particelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

Indice 5

17 Velocimetria a immagini di particelle 227

17.1 Caratteristiche della tecnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

17.2 Principio di funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

17.3 La catena di misura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

17.4 Densità di immagine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

17.5 Cross-correlazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

17.6 Vettori spuri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236

17.7 Finestre di interrogazione sovrapposte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237

17.8 Struttura di un programma PIV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238

17.9 Applicazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

17.10PIV stereoscopica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

18 Raffreddamento a film 244

18.1 Interazione fra getto e flusso principale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

18.2 Parametri di influenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

18.3 Prestazioni del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

18.4 Carico termico sulla paletta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

18.5 Modello semplificato: lastra piana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250

18.6 Schiera statorica a copertura totale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256

18.7 Raffreddamento del bordo d’attacco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262

18.8 Raffreddamento del bordo d’uscita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

18.9 Raffreddamento della parete di estremità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276

19 Cristalli liquidi termocromici 284

19.1 Struttura molecolare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284

19.2 Classificazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286

19.3 Teoria del colore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287

19.4 Taratura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289

19.5 Applicazione alla misura dell’efficacia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291

20 Termografia a infrarossi 293

20.1 Radiazione termica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

20.2 Le leggi del corpo nero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

20.3 Corpo nero, corpo grigio, corpo reale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

20.4 La termocamera a infrarossi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

20.5 Che cosa raggiunge il rivelatore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298

20.6 Finestre atmosferiche e scelta della banda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299

20.7 Lo strumento impiegato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301

20.8 Influenza dei parametri di controllo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302

21 Vernici sensibili alla pressione 307

21.1 Principio di funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

21.2 La legge di Stern-Volmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309

21.3 I due impieghi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .