Dynamics of line-cavity systems for ideal and non-ideal compressible-fluid flows

The dynamics of ideal and non-ideal compressible-fluid flows within line-cavity systems is investigated by means of numerical simulations. SU2 code is employed to perform 2D unsteady simulations. Viscosity and thermal conductivity are neglected. The suitability of these hypotheses is assessed via comparison of numerical results against experimental data available for a line-cavity geometry. The dynamic response of a cavity due to an incident perturbation is analyzed and the effects of the external domain are investigated. A gas-dynamic interpretation is given to describe the phenomena that take place within the system and affect acoustic wave propagation. Geometry-based parametric analysis are performed and results are compared to existing analytical models, which are generally based on the small perturbations assumption. When this hypothesis is relaxed, non-linear terms introduce dissipation in the system. A model is proposed to qualitatively estimate non-linear dissipation for the considered geometries. As new interest towards non-ideal compressible-fluid flows is rising for designing innovative engineering applications (e.g. Organic Rankine Cycle plants), the investigation is extended to deal with thermodynamic non-idealities. First, the effects of molecular weight and molecular complexity are investigated for different fluids in different conditions. Later, the effects of thermodynamic non-idealities are assessed via the non-linear Peng-Robinson-Strijk-Vera thermodynamic model. Non-idealities are expected to play relevant roles in defining the system dynamics. In particular, when relaxing the small perturbation hypothesis, large differences are observed with respect to dilute conditions cases, depending on the value of the fundamental derivative of gas-dynamics and on the fluid isentropic compressibility. Qualitative relations for estimating the effects of non-idealities on the system dynamic parameters are provided.

La dinamica di sistemi linea-cavità per correnti di fluidi in regime ideale e non-ideale è analizzata tramite simulazioni numeriche. Si utilizza il codice SU2 per effetturare simulazioni su geometrie bi-dimensionali. Effetti viscosi e termici sono trascurati. L'ammissibilità di queste ipotesi è verificata attraverso un confronto con risultati sperimentali disponibili per una configurazione geometrica di linea-cavità. La risposta dinamica della cavità a seguito di una perturbazione entrante e gli effetti del dominio esterno sono analizzati. Si fornisce un'interpretazione gas-dinamica dei fenomeni di propagazione all'interno del sistema linea-cavità. Si effettua un'analisi parametrica basata su caratteristiche geometriche e si confrontano i risultati con i modelli analitici disponibili in letteratura, che sono generalmente basati sull'ipotesi di piccole perturbazioni. Un modello qualitativo per stimare la dissipazione non-lineare è proposto per le geometrie considerate. Poiché vi è un interesse crescente rivolto allo studio di fluidi operanti in regime non-ideale, per applicazioni innovative nel campo della produzione di energia e della propulsione, l'analisi è estesa alla valutazione del ruolo delle non-idealità termodinamiche sulla dinamica del sistema. Gli effetti di complessità e peso molecolare sono valutati in condizioni diluite. Successivamente, gli effetti delle non-idealità sono analizzati qualitativamente tramite il modello termodinamico non-lineare di Peng-Robinson-Strijk-Vera. Le non-idealità giocano un ruolo rilevante nel definire la dinamica del sistema quando l'ipotesi di piccole perturbazioni viene rilasciata. Le differenze rispetto al caso diluito dipendono dalla derivata fondamentale della gas-dinamica e dalla comprimibilità del fluido. Relazioni qualitative per stimare l'importanza degli effetti non-ideali sui parametri dinamici del sistema sono proposte.