Numerical simulation of two-phase flows: generalization of the mixture model

The interest towards the use of CO2 as a working fluid has been steadily increasing in the last decades, with the aim reducing green-house gases (GHG) emissions and achieve carbon neutrality. Examples of the applicability of carbon dioxide are the sCO2 closed power cycle and the vapor compression refrigeration cycle. Both technologies share a common issue, that is the non-equilibrium phase change of the working fluid. In order to optimize the geometry of the components in which this phenomenon takes place, it is of paramount importance the development of numerical models able to reproduce the flow physics. The experimental results of Nakagawa et al. [1] are considered the reference for the validation of the flashing model. First of all, the theoretical basis of metastability and non-equilibrium phase change are introduced, along with a classification of the current available models for their simulation. In particular, the basic formulations of the Mixture Model and the Lee Model are described. Then, the Mixture Model formulation is extended so to take into account the delay of the phase change due to non-equilibrium effects. This is achieved by introducing two fictious pressure, namely nucleation and end pressures, which must be experimentally determined. In the following chapter, details concerning the numerical setup in the commercial software Ansys Fluent are discussed (geometry, mesh, numerical methods and turbulence model). An analysis to determine the Lee Model coefficient is carried out as well. Eventually, the new version of the model is tested against the legacy one, in order to evaluate the improvements. Once proven the effectiveness of the new Mixture Model, an estimation of the experimental coefficients for the considered case is presented. Finally, the effects of the roughness constant on the results of the numerical simulation are investigated

Nell’ultimo decennio l’interesse verso l’utilizzo della CO2 come fluido di lavoro è costantemente aumentato, nell’ottica di una riduzione delle emissioni di gas serra e dell’indipendenza dai combustibili fossili. Applicazioni del diossido di carbonio sono, ad esempio, il ciclo di potenza a CO2 supercritica o il ciclo inverso a compressione di vapore. In entrambi i casi si presenta una problematica comune: le trasformazioni termodinamiche non all’equilibrio a cui il fluido di lavoro è soggetto. Al fine di ottimizzare le prestazioni dei componenti di tali impianti, risulta fondamentale lo sviluppo di modelli numerici in grado di riprodurre le osservazioni sperimentali. In particolare, gli esperimenti di Nakagawa et al. sono assunti come riferimento per la validazione dei modelli di evaporazione. Innanzitutto, le basi teoriche della meta-stabilità e del cambiamento di fase non all’equilibrio vengono introdotte, insieme ad una breve introduzione dei modelli disponibili. Particolare attenzione è rivolta al Mixture Model e al Lee Model. Successivamente, la loro formulazione viene estesa e riadattate affinchè essi tengano in conto il ritardo nel cambiamento di fase a causa del non-equilibrio. Per ottenere ciò, due pressioni fittizie, chiamate rispettivamente pressioni di nucleazioni e fine, vengono introdotte. I valori di queste pressioni devono essere determinati sperimentalmente per il caso considerato. Nel capitolo successivo vengono analizzate le impostazioni del software Ansys Fluent, tra cui la geometria, la mesh, i metodi numerici e il modello di turbolenza. Inoltre, viene effettuata un’analisi per stabilire il valore del coefficiente del Lee Model. Infine, i risultati forniti dal nuovo modello vengono comparati con quelli del precedenti e con le misure sperimentali. Una volta provata l’efficacia della nuova formulazione, viene fornita una prima stima dei coefficienti del modello per il caso considerato. Conclude il lavoro un’analisi degli effetti della rugosità.