Numerical simulation of condensing CO2 supersonic flows at high pressure

Considering its flexibility and potential efficiency, the s-CO2 cycle is a promising candidate for development and commercialisation in the field of power generation, and is extensively studied in literature. Nonetheless, components and especially compressor design, which may experience condensing high speed flows, remains problematic. In this framework, the purpose of this work is the definition of a reliable setup for the simulation of high pressure, condensing, supersonic carbon dioxide flows; ANSYS CFX and ANSYS Fluent are both employed and compared. Practically, a test case - a series of supersonic nozzle blowdowns experimentally detailed by Lettieri [22] experiencing nonequilibrium condensation – is analysed. For reference purposes, a quasi-1D solution implementing simple two-phase capacities is developed in MATLAB and compared to CFD results. Details concerning all aspects of the simulations (turbulence models, numerical schemes, mesh) are explored. Convergence could be achieved only with Eulerian-Eulerian condensation models, as already available in CFX and Fluent. The accurate Span-Wagner Equation of State is implemented via user-defined materials making use of Lookup Tables generated byMATLAB, in connection with REFPROP, for the definition of real gas properties (which included metastable states). Thorough analysis of the results highlights the superiority of ANSYS Fluent, due to its stronger numerical and multiphase capacities. User interaction is also more flexible, at the cost of complexity. Due to simplified condensation models, accurate replication of experimental results could not be achieved, but general trends are consistent. Simulations failed at near-critical inlet total pressure conditions, due to the extreme thermodynamic gradients and proximity of the spinodal line, as well as to the significant amount of liquid generated in the corresponding experiments. Further work in terms of thermodynamic and numerical options is required for the setup extension to these regions. Therefore, the setup discussed in this work is ultimately thought to be applicable to the simulation of more complex geometries, as long as the two-phase regions of the flow are small compared to the overall domain.

Data la sua flessibilità e potenziale efficienza, il ciclo a CO2 supercritica è considerato promettente per ulteriori sviluppi nel campo della generazione di potenza, ed è argomento di ampi studi in letteratura. Ciò nonostante, la progettazione delle sue componenti ed in primo luogo del compressore, in cui sussiste il rischio di condensazione di flussi ad alta elocità, è ancora problematica. In questo contesto, lo scopo di questo lavoro è la definizione di un setup affidabile per la simulazione di flussi supersonici di anidride carbonica in condensazione. ANSYS CFX e ANSYS Fluent sono entrambi utilizzati e messi a confronto. Lo studio si estrinseca nell’analisi di un caso studio - una serie di espansioni condensanti in ugelli di De Laval studiata da Lettieri [22]. Per confronto, una soluzione monodimensionale con semplici capacità bifase è sviluppata in MATLAB e comparata ai risultati CFD. Tutti gli aspetti riguardanti la simulazione (modelli di turbolenza, schemi numerici, mesh) sono studiati in dettaglio. Per ottenere convergenza risulta necessario impiegare modelli di condensazione Euleriani-Euleriani già presenti in CFX e Fluent. L’Equazione di Stato Span-Wagner è implementata attraverso materiali user-defined facenti riferimento a tabelle di ricerca generate in MATLAB, in connessione con REFPROP, per la definizione delle proprietà termodinamiche del gas reale (comprendenti gli stati metastabili). Un’analisi dettagliata dei risultati denota la netta superiorità di ANSYS Fluent, a causa delle migliori capacità numeriche e multifase, nonché della flessibilità in termini di implementazione da parte dell’utente, a discapito di una maggiore complessità. Le simulazioni sono risultate divergenti in condizioni di pressione totale all’imbocco prossime al punto critico, a causa degli elevati gradienti termodinamici e della vicinanza della linea spinodale, nonché dell’alta quantità di liquido presente nei casi sperimentali corrispondenti. Ulteriori sviluppi sono necessari per l’estensione all’analisi di queste regioni. In conclusione, si ritiene che il setup qui presentato sia in ultima analisi in grado di essere applicato alla simulazione di geometrie più complicate, purché le regioni bifase siano sufficientemente piccole.