Measurements techniques for non-ideal compressible fluid flows: applications to organic fluids

Non-ideal compressible flows of molecularly complex vapors occurring within the thermodynamic region in the close proximity of the liquid-vapor saturation curve are of interest for diverse industrial applications; in particular for the turbomachines employed in Organic Rankine Cycles. Several computational fluid dynamics tools embedding complex thermodynamic models suitable to simulate such flows are currently available. However, detailed experimental data characterizing non-ideal compressible flows, which are needed to validate these tools, are unavailable in the open literature up to date. These data can be obtained in dedicated wind tunnel facilities. However, running these facilities presents many technical challenges due to the high temperature, high pressure and thermodynamic conditions close to the fluid thermal stability limit. This thesis presents three successful experimental campaigns conducted on a wind tunnel operated with organic vapors. Several experiments were conducted on the Test Rig for Organic VApors (TROVA) at the CREA laboratory. The TROVA test section was equipped with different converging-diverging nozzles. Measurements of upstream total pressure and temperature, static pressures, local Mach numbers along the nozzle axis and schlieren visualizations were carried out for two different organic fluids MDM and MM. This thesis focuses on measurement techniques, with particular reference to the effect of the peculiar thermodynamic conditions in which measurements are carried out. A methodology to calibrate piezoresistive pressure transducers, permitting their use at different temperature and providing a reliable estimation of the uncertainty related to each measurement is presented. Moreover, an algorithm to automatically detect Mach waves in schlieren images and exploit them to directly measure the local Mach number was developed. Three different experimental campaigns were conducted, focused on the characterization of the expansion of molecularly complex vapors in nozzles. To this purpose three fluids having different molecular complexity and molecular mass, i.e. nitrogen, MM and MDM, were tested in four nozzles. Results in terms of pressure ratios and local Mach number along the nozzle axis are presented for each of the three experimental campaigns. The measurement techniques adopted proved to be suitable to detect non-ideal behaviors in compressible non-ideal flows. \\ Indeed, the analysis of the results obtained proved the non-ideal nature of both MDM and MM nozzle flows. Moreover it was found that in the thermodynamic region explored, the total compressibility factor Z_T performs better as univocal identifier of a nozzle expansion with respect to the total fundamental derivative of gas-dynamic. The value of Z_T can thus be used to predict pressure ratios along the axis with an error lower than 5%. Moreover, the influence of total temperature on the flow was also analyzed and a comparison between MM and MDM nozzle flows at the same total reduced conditions was performed. In conclusion, this thesis reports a reliable methodology which is applicable to perform experiments on high temperature and potentially condensing vapor flows in highly non-ideal thermodynamic conditions. This methodology represent the starting point towards the implementation of other experimental techniques capable of measuring further data, such as the velocity vector, in non-ideal compressible flows. Moreover, it provided the first data, useful to assess the performances of Computational Fluid Dynamic (CFD) tools in the non-ideal compressible regime, currently available in the open literature.

Flussi non-ideali comprimibili di fluidi molecolarmente complessi sono importanti per molte applicazioni industriali. Tra queste troviamo le turbomacchine utilizzate nei cicli Rankine a fluido organico. Il flusso al loro interno è attualmente studiato ricorrendo a codici in grado di calcolare le proprietà di questi fluidi con approriati e complessi modelli termodinamici. Tuttavia, i dati sperimentali necessari per validare questi codici, non sono attualmente pubblicati e reperibili. Questi dati si possono ottenere solo utilizzando apparati dedicati i quali risultano di difficile gestione a causa delle sfide techiche derivanti dalle condizioni di temperatura e pressione necessarie per replicare i flussi di interesse. In questa tesi vengono presentate tre campagne sperimentali svolte con successo utilizzando l'apparato sperimentale TROVA (Test Rig for Organic VApors) collocato presso il laboratorio CREA del Politecnico di Milano. Queste campagne hanno permesso la caratterizzazione sperimentale del flusso di fluidi organici all'interno di ugelli convergenti-divergenti. Le condizioni analizzate sono quelle tipiche del flusso all'interno di una turbina di un ciclo Rankine a fluido organico. I fluidi utilizzati sono i silossani MM e MDM comunemente adottati per cicli di potenza. Sono stati misurati i profili di pressione e Mach sull'asse di diversi ugelli e le pressioni e temperature totali a monte dell'ugello. I dati acquisiti sono stati usati per validare un codice CFD, precisamente il codice open-source SU2. Inoltre, sono stati confrontati diversi flussi caratterizzati da diverse condizioni totali ma accumunate dallo stesso valore di fattore di comprimibilità Z_T o dallo stesso valore della derivata fondamentale della gasdinamica. Questi confronti hanno portato alla conclusione che il parametro adimensionale Z_T può essere usato, nella regione termodinamica esplorata, come parametro caratterizzante di un espansione in termini adimensionali. La tesi riporta in dettaglio tutte le tecniche di misura utilizzate e le sfide tecniche affrontate e superate per poter misurare con un soddisfacente livello di accuratezza i flussi comprimibili non-ideali di interesse. La tesi è pensata per essere un solido punto di partenza per lo studio sperimentale dei flussi coratteristici delle turbine dei cicli Rankine a fluido organico. I dati sperimentali ottenuti e qui riportati sono i primi volti a studiare questi flussi che siano disponibili in letteratura.