Computational fluid dynamic simulations of supersonic flows of supercritical carbon dioxide with multiple physical models

In virtue of its promising high efficiency and compact size, supercritical carbon dioxide closed gas cycles have recently become a focus of interest in the energy industry. The use of the supercritical carbon dioxide requires a close-call application near the thermodynamic critical points, where sudden phase changes are likely to occur in the suction region of the compressor. Presently, the impact of such phase-change phenomena on the compressor performance and operation is still not clear. With the purpose of analyzing these effects, reliable simulations accounting for real gas effects and two-phase flows are needed. To this end, the current study focuses on the development and validation of two-phase models tailored for supercritical carbon dioxide applications. Specifically, two models are here discussed: (i) a mixture model, i.e. governing equations are solved for the mixture and an additional transport equation is included to describe the evolution of the dispersed-phase volume fraction; (ii) a barotropic model that assumes the mixture density only as a function of the pressure. Both models are implemented within the commercial tool Ansys Fluent. Thermodynamic properties of each phase are introduced using a look-up-table approach based on the REFPROP library. These tables are compiled inside Fluent by using proper User Defined Functions coded in the C language. All results are compared against experimental data. It is found that the amount of penetration inside the saturation dome determines the solution convergence for the mixture model. On the other hand, no convergence issues are found using the barotropic model. The results of the present work show that both the mixture and the barotropic model can be used to simulate high-speed flows of supercritical carbon dioxide in the presence of phase change. Potential future work involves the use of such computational tools to simulate phase changes within centrifugal compressors.

In virtù della sua promettente alta efficienza e dimensioni compatte, anidride carbonica supercritica i cicli del gas chiusi sono recentemente diventati un punto di interesse nel settore energetico. Il l'uso del biossido di carbonio supercritico richiede un'applicazione a chiamata ravvicinata vicino al punti critici termodinamici, dove è probabile che si verifichino improvvisi cambiamenti di fase nel regione di aspirazione del compressore. Attualmente, l'impatto di tale cambiamento di fase i fenomeni sulle prestazioni e sul funzionamento del compressore non sono ancora chiari. Allo scopo di analizzare questi effetti, sono necessarie simulazioni affidabili che tengano conto degli effetti del realgas e dei flussi bifase. A tal fine, l'attuale studio si concentra su lo sviluppo e la validazione di modelli bifase su misura per il carbonio supercritico applicazioni di diossido. Nello specifico, vengono discussi due modelli: (i) un modello di miscela, cioè le equazioni di governo sono risolte per la miscela e un trasporto aggiuntivo è inclusa un'equazione per descrivere l'evoluzione della frazione di volume della fase dispersa; (ii) un modello barotropico che assume la densità della miscela solo in funzione di pressione. Entrambi i modelli sono implementati all'interno dello strumento commerciale Ansys Fluent. Le proprietà termodinamiche di ogni fase vengono introdotte utilizzando una tabella di consultazione approccio basato sulla libreria REFPROP. Queste tabelle sono compilate all'interno di Fluent da utilizzando le funzioni definite dall'utente appropriate codificate nel linguaggio C. Tutti i risultati vengono confrontati contro dati sperimentali. Si è constatato che la quantità di penetrazione all'interno della cupola di saturazione determina la convergenza della soluzione per il modello di miscela. D'altra parte, nessun problema di convergenza si trovano usando il modello barotropico. I risultati del presente lavoro mostrano che sia la miscela che il modello barotropico può essere utilizzato per simulare flussi ad alta velocità di anidride carbonica supercritica in presenza di cambio di fase. Il potenziale lavoro futuro prevede l'uso di tali strumenti computazionali per simulare i cambi di fase all'interno dei compressori centrifughi.