High temperature non-ideal compressible flows of siloxane vapors

Compressible flows of molecularly complex fluids operating at thermodynamic conditions close to the vapor saturation line and the critical point are of interest in various industrial applications. In the last two decades considerable advancements were made in the thermodynamic modeling and numerical simulation of highly non-ideal flows. However, experimental data are still scarce in the literature up to date, due to the hostile environment associated with such flows, that feature high temperature, high pressure, and possibility of fluid decomposition. This thesis presents the first characterization by means pressure, temperature and direct velocity measurements of a flow of a molecularly complex fluid operating at non-ideal conditions. Tests were carried out on the Test Rig for Organic Vapors of Politecnico di Milano. A nozzle was selected as the simplest geometry of relevance for the study of fundamentals of the fluid-dynamics of such flows and for its representativeness of industrial applications, such as organic Rankine cycle turbines. Siloxane fluids Hexamethyldisiloxane (siloxane MM - C6H18OSi2) and octamethyltrisiloxane (siloxane MDM - C8H24O2Si3) were chosen for testing due to their relevance in high temperature ORC applications. In literature, data about their thermal stability are scarce or absent, thus their behavior and decomposition at temperatures comprised between 200 °C and 420 °C was studied with a dedicated experimental campaign. First, a method based on the deviation of the vapor-liquid equilibrium curve of the fluid measured before and after thermal stress was employed, but it yielded contradictory results, due to the low volatility of the tested fluids. Thus, an improved method was adopted, based on chemical analysis of both vapor and liquid phases of the sample subjected to thermal stress. MM proved to be more stable than MDM. Moreover, due to the current interest in the use of mixtures in ORCs, an equimolar mixture of MM and MDM was also tested, showing a behavior that appears to be different from the simple superimposition of pure fluid ones. With the information about the thermal stability of working fluids, their non-ideal fluid dynamics was then characterized. Experimental observations of non-ideal flows by means of pressure and temperature measurements, complemented with schlieren visualizations (from which the Mach number was measured), are first presented. The dependence of flow quantities on total conditions is proved. However, for a complete characterization of the flow, the independent measurement of velocity is necessary. To reach this goal, the Laser Doppler velocimetry (LDV) technique was chosen and a specifically designed seeding system was implemented. The adopted apparatus was conceived for seeding high temperature, high pressure and potentially condensible flows without contamination, and it is suitable to every application where at least some of these requirements are present. The full characterization of a flow of a molecularly complex fluid operating at non-ideal conditions was carried out. Three different experimental cases are presented: a subsonic compressible nozzle flow with a large uniform region at Mach number equal to 0.7, a high velocity gradient supersonic flow at Mach number equal to 1.4 and a near zero velocity gradient flow at Mach number equal to 1.7. Temperature, pressure and direct velocity measurements are performed to characterize the flow at discrete points along the nozzle axis. Measured velocity is compared with both computational fluid dynamics (CFD) calculations and velocity computed from pressure and temperature measurements. In both cases the thermodynamic model applied was a state-of-the-art Helmholtz energy equation of state. Maximum observed deviations between measured velocity and those obtained from CFD or computed from pressure and temperature measurements are below 6.6% and reduce to about 0% to 4% in most cases. These are the very first direct measurements ever exploiting the LDV technique in a high velocity non-ideal flow and show the feasibility of laser Doppler velocimetry in this framework. This work poses the basis for a complete characterization of the flow with pressure, temperature and velocity measurements along the whole nozzle axis. Further, the LDV system presented in this thesis can provide reference values of velocity for the calibration of directional pressure probes in the non-ideal regime, that can be employed for the study of the fluid dynamics of linear blade cascades.

Flussi comprimibili di fluidi ad alta complessità molecolare in condizioni termodinamiche vicine alla curva di saturazione e al punto critico sono di interesse per molte applicazioni industriali. La modellazione termodinamica e la simulazione numerica di flussi altamente non ideali hanno fatto passi avanti considerevoli negli ultimi due decenni. Nonostante ciò i dati sperimentali presenti in letteratura sono scarsi a causa delle alte temperature e pressioni legate a tali flussi e alla possibilità che il fluido si decomponga. In questa tesi per la prima volta, grazie a misure di pressione, temperatura e alla misura diretta della velocità, è stato caratterizzato il flusso di un fluido ad alta complessità molecolare in condizioni non ideali. I test sono stati effettuati con il Test Rig for Organic Vapors del Politecnico di Milano. Per poter caratterizzare dal punto di vista fluidodinamico questi flussi è stato scelto un ugello perché presenta una geometria semplice ma allo stesso tempo è rappresentativo di molte applicazioni industriali come per esempio le turbine dei cicli Rankine a fluido organico (organic Rankine Cycles, ORCs). Per i test sono stati scelti i fluidi esametildisilossano (silossano MM - C6H18OSi2) e ottametiltrisilossano (silossano MDM - C8H24O2Si3), per la loro rilevanza nell’ambito degli ORC ad alta temperatura. In letteratura, dati riguardanti la loro stabilità termica sono assenti o scarsi, quindi il loro comportamento e la decomposizione a temperature comprese tra 200°C e 420°C sono stati studiati in una campagna sperimentale dedicata. In primo luogo, è stato usato un metodo basato sulla deviazione della curva di equilibrio liquido-vapore misurata prima e dopo aver sottoposto il fluido a stress termico. Questa procedura ha fornito risultati contradditori a causa della bassa volatilità dei fluidi testati. Di conseguenza, è stato adottato un metodo perfezionato, basato sull’analisi chimica delle fasi liquida e vapore del campione prima e dopo essere sottoposto a stress termico. Il silossano MM è risultato più stabile del silossano MDM. Inoltre, dato l’attuale interesse nell’uso di miscele come fluido di lavoro in ORC, è stata testata anche una miscela equimolare di MM e MDM. Il suo comportamento risulta diverso dalla semplice combinazione di quello delle specie pure. Alla luce delle informazioni ottenute dallo studio della stabilità termica dei fluidi di lavoro si è proceduto a caratterizzare la loro gasdinamica non ideale. In questo lavoro vengono prima presentate misure sperimentali di pressione e temperatura integrate da visualizzazioni schlieren (da cui il numero di Mach è stato misurato) di flussi non ideali. Grazie a questa prima campagna sperimentale è stata confermata la dipendenza delle grandezze fisiche del flusso dalle condizioni totali. Tuttavia, per ottenere una caratterizzazione completa del flusso, è necessaria la misura diretta della velocità. Per raggiungere questo obiettivo, è stata scelta la velocimetria laser Doppler (laser Doppler velocimetry - LDV) ed è stato implementato un sistema di inseminazione progettato appositamente. Il sistema adottato è stato concepito per l’inseminazione di flussi ad alta temperatura, ad alta pressione e potenzialmente condensabili senza contaminazione del fluido di lavoro ed è adatto ad ogni applicazione in cui almeno alcuni di questi requisiti siano presenti. In questa tesi è stata effettuata la caratterizzazione completa di un flusso di un fluido molecolarmente complesso operante in condizioni non ideali. Sono presentati tre diversi casi sperimentali: un flusso comprimibile subsonico in un ugello con un’ampia regione uniforme ad un numero di Mach pari a 0.7, un flusso supersonico ad alto gradiente di velocità ad un numero di Mach pari a 1.4 e un flusso con un gradiente di velocità vicino a zero ad un numero di Mach pari a 1.7. Per caratterizzare il flusso sono state effettuate misure di pressione e temperatura e misure dirette di velocità in punti discreti lungo l’asse dell’ugello. La velocità misurata è stata comparata con valori ricavati da simulazioni ottenute tramite la fluidodinamica computazionale (computational fluid dynamics - CFD) e con la velocità calcolata da misure di pressione e temperatura. In entrambi i casi, il modello termodinamico utilizzato è l’equazione di stato basata sull’energia di Helmholtz più recente. Le massime deviazioni osservate tra le velocità misurate e quelle ottenute dalla CFD o calcolate dalle misure di pressione e temperatura sono sotto il 6.6% e si riducono a valori compresi tra circa 0% e 4% nella maggior parte dei casi. Quelle presentate sono le prime misure dirette effettuate utilizzando la tecnica LDV in un flusso ad alta velocità non ideale e mostrano la fattibilità della velocimetria laser Doppler in questo ambito. Questo lavoro pone le basi per una caratterizzazione completa del flusso con misure di pressione, temperatura e velocità lungo l’asse dell’ugello. Inoltre, il sistema LDV presentato in questa tesi può fornire dei valori di velocità di riferimento per la calibrazione di sonde di pressione direzionali in regime non ideale, che potrebbero essere utilizzate per lo studio della fluidodinamica di schiere piane di palette.