CFD modelling of underexpanded jets through circular and rectangular nozzles

CFD simulations are useful when performing a risk assessment to an engineering process. Generally, there are toxic and flammable substances used in the industrial field and therefore undesired leakages from pipes or tanks can occur. Specific studies of these situations have been carried out in the past, using semi-empirical models. CFD models are a more accurate alternative to those models. In this thesis, CFD is employed to study gaseous releases from a pressurized vessel to the atmosphere. Different shaped cracks, circular and rectangular, are generated to do the simulations. Due to pressure ratio, a highly under-expanded jet is generated. The fluid jet must adjust itself from the vessel to the ambient conditions through expansion-compression waves. Consequently, there are discontinuities in the flow field variables that must be considered. Firstly, some simulations are carried out studying the behaviour of methane exiting a constant circular hole with different pressure ratios. For doing so, information has been taken from previous studies done by researchers of the Politecnico di Torino. In second place, an investigation about the release and spread of a high-pressure helium jet exiting rectangular-shaped nozzles with different aspect ratios and a varying pressure ratio is performed, comparing the results with those obtained experimentally by Li et al., 2018.

Le simulazioni CFD sono utili quando si esegue una valutazione del rischio per un processo ingegneristico. Di solito, sostanze tossiche ed infiammabili vengono utilizzate in ambito industriale e quindi possono verificarsi fuoriuscite indesiderate da tubazoni o serbatoi. Studi specifici di queste situazioni sono stati condotti in passato, utilizzando modelli semi-empirici . I modeli CFD sono un’alternativa più accurata a quei modelli. In questa tesi, la CFD è impiegata per studiare i rilasci gassosi da un recipiente pressurizzato nell’atmosfera Per eseguire le simulazioni vengono generate fessure di diverse forme, circolari e rettangolari. A causa del rapporto di pressione, viene generato un getto molto sottoespanso. Il getto di fluido deve adattarsi dal vaso alle condizioni ambientali tramite onde di espansione-compressione. Di conseguenza, ci sono discontinuità nelle variabili del campo di flusso che devono essere considerate. In primo luogo, vengono eseguite alcune simulazioni studiando il comportamento del metano in uscita da un foro circolare costante con diversi rapporti di pressione. Per fare ciò, le informazioni sono state tratte da studi precedenti condotti da ricercatori del Politecnico di Torino. In secondo luogo, viene eseguita un'indagine sul rilascio e la diffusione di un getto di elio ad alta pressione in uscita da ugelli di forma rettangolare con diverse proporzioni e un rapporto di pressione variabile, confrontando i risultati con quelli ottenuti sperimentalmente da Li et al., 2018.