Surrogate-based Shape Optimization of Supercritical Two-phase CO2 nozzle

This study aims to enhance the efficiency of converging-diverging nozzles for flashing flows of supercritical CO2 through surrogate-based shape optimization. In the context of CO2 refrigeration cycles, the need for improved efficiency is crucial, as traditional throttling valves limit the COP due to large throttling losses. Impulse turbo-expanders are promising alternatives, especially for small-scale cycles, but efficient nozzle designs for two-phase CO2 flow are lacking due to the absence of design rules. This study employs two CFD models, the homogeneous equilibrium model (HEM) and the barotropic model, to simulate CO2 flow within the nozzle. Shape optimization is used to address the design challenge, reducing computational costs with Kriging interpolation. The baseline geometry exhibits shockwaves, emphasizing the need for optimization. The optimized nozzles significantly increase isentropic efficiency, improving from 73.7\% to 93.1\%. Importantly, both HEM and barotropic model produce similar results, except near the domain outlet, highlighting the efficacy of the barotropic model and its lower computational cost. These optimized geometries are not only efficient but also consistent with the flow physics, addressing a critical gap in two-phase CO2 nozzle design. This research mitigates shockwave issues and enhances CO2 impulse turbo-expander efficiency, offering a valuable contribution to the field.

Questo studio mira a migliorare l'efficienza di ugelli CO2 supercritic con cambiamento di fase attraverso l'ottimizzazione della forma basata su modelli surrogati. Nel contesto dei cicli di refrigerazione con CO2, la necessità di migliorare l'efficienza è cruciale, poiché le tradizionali valvole di regolazione limitano il COP a causa delle elevate perdite per strozzamento. Gli espansori a turbina ad impulsi rappresentano promettenti alternative, specialmente per cicli su piccola scala, ma sono penalizzata dalla mancanza di criteri di progettazione che permettono di ottenere ugelli a CO2 con cambiamento di fase efficienti. Questo studio impiega due modelli di dinamica dei fluidi computazionali(CFD) per simulare il flusso di CO2 all’interno dell’ugello, l'Homogeneous equilibrium model (HEM) e il modello barotropico. L'ottimizzazione della forma viene utilizzata per la progettazione di ugelli efficienti, riducendo i costi computazionali sfruttando modelli surrogati Kriging. La geometria di base presenta onde d'urto, sottolineando la necessità di ottimizzazione. Gli ugelli ottimizzati aumentano significativamente l'efficienza isentropica, che passa dal 73,7\% al 93,1\%. È importante notare che sia il modello HEM che il modello barotropico producono risultati simili, ad eccezione della zona vicino all'uscita del dominio, evidenziando l'efficacia del modello barotropico e il suo minor costo computazionale. Le geometrie ottimizzate non sono solo efficienti ma anche coerenti dal punto di vista fisico, fornendo quindi un metodo efficiente di progettazione degli ugelli di CO2 a due fasi. Questa ricerca mitiga i problemi legati alle onde d'urto e migliora l'efficienza degli espansori a turbina ad impulsi di CO2, offrendo un contributo prezioso al campo.