Development and assessment of physical based profile loss model for ORC turbine based on boundary layer analysis

The Organic Rankine Cycles are receiving many attention since they make possible to exploit renewable source. In particular the necessity to establish a theoretical knowledge about the physical phenomena for this technology is the primary concern. In fact literature is poor of knowledge and there is not any general and solid specifications for the so called mean-line-design; moreover the classical loss models are not suitable for these new machine which processed such complex fluids. This thesis work is focused on the profile losses study in terms of physical based approach, analyzing in deep the fundamental phenomenon at the base: the boundary layer. The first part of this thesis was dedicated to the assessment of boundary layer code which has been the main instrument to obtain results and physical conclusion through a large amount of simulations. This code has been built with the original purpose to investigate the wall fluid-mechanics behavior of the nozzle belonging to the experimental facility ORCHID of the Power and Propulsion department of the Technische Universiteit Delft. The first results of this work concern the Smith’s charts for the estimation of profile losses for axial machine through a physical based approach. However the core structure is the boundary layer analysis focusing on the behavior of the dissipation coefficient, crucial element for the estimation of whatever near wall phenomena. This dimensionless group represents the entropy generation inside the viscous fluid flows and it has been investigated under many aspects: incompressible case, with and without acceleration, compressible supersonic both for air and for other classes of fluids. Because it is a new parameter it has been performed a sensitivity analysis in order to determine quantitatively what is the most influencing parameter on the dissipation phenomena in the boundary layer. In the final part, all ours results have been compared, with good response, against a classical CDF code (SU2) suitable for the aerodynamic optimization.

I cicli Rankine utilizzanti fluidi organici stanno acquistando interesse poiché sono adatti allo sfruttamento di risorse energetiche rinnovabili. In particolare, oggi sorge la necessità di stabilire conoscenze solide circa i fenomeni fisici per questa tecnologia. In letteratura, infatti, c’è scarsezza di risultati generali in particolare per le cosiddette linee guida per il progetto preliminare della turbomacchina; inoltre i metodi classici di perdite non sono adatti a macchine di nuova generazioni che processano tale tipo di fluidi. Il presente lavoro di tesi si inquadra in quest’ ottica, concentrandosi sull’ analisi delle perdite di profilo ed investigando il fenomeno fondamentale alla base: lo strato limite. La prima parte di questa tesi è stata dedicata alla verifica di un codice di strato limite che poi è stato utilizzato per ottenere risultati attraverso molte simulazioni. Tale codice è stato elaborato con l’ obiettivo di studiare tali fenomeni per l’ugello dell’ apparato sperimentale ORCHID del dipartimento Power and Propulsion della Technische Universiteit Delft. Oltre alla presentazione di grafici tipo Smith per le perdite di profilo in macchine assiali, il presente lavoro si concentra soprattutto sullo studio dello strato limite e del coefficiente di dissipazione elemento fondamentale per la stima dell’ efficienza di qualunque fenomeno fluido-meccanico a parete. Tale gruppo adimensionale è stato indagato sotto molti aspetti: casi incomprimibili, supersonici comprimibili sia per aria che per altre classi di fluidi, in particolare quelli a complessità molecolare alta. Data la novità dello studio, un analisi di sensibilità è stata effettuata per determinare quantitativamente qual è il parametro determinante sulle dissipazioni nello strato limite. Nella parte finale è stato fatto un confronto, con buon esito, tra i nostri risultati e quelli derivanti da SU2 classico codice CFD per l’ottimizzazione aerodinamica.