Non-ideal under-expanded jet flows of siloxane MM: from experimental tests to RANS simulations with adaptive grids

In the context of gasdynamics, the major portion of theoretical and experimental findings deals with fluids in a rarefied thermodynamic state which behavior is well described by the Ideal Gas Law. However, if the application of interest employs dense vapours of molecularly complex compounds as working fluid, more refined thermodynamic models are required. The resulting phenomena are investigated by the branch of gasdynamics called Non-Ideal Compressible Fluid Dynamics (NICFD). Among the topics of research of NICFD, great effort has been devoted to the optimization of Organic Rankine Cycles (ORC) power plants, i.e., energy conversion facilities from non-conventional thermal sources which implement as working fluid dense vapours approaching the near-critical liquid-vapour saturation curve. In this scenario the TROVA blow-down wind tunnel at CREA Laboratory at Politecnico di Milano, Milan, Italy settles, and represents a worldwide excellence in the experimental characterization of supersonic non-ideal flows of complex compounds such as siloxanes MM and MDM. The present work aim is that of extending the already existing knowledge about non-ideal phenomena in nozzle supersonic expansions to the problem of under-expanded jets of siloxane MM. Both an experimental and a numerical campaign are presented. A numerical model of the experimental test is developed relying on advanced iterative grid adaptation algorithms for an efficient resolution of flow features. First, a comparison between numerical and experimental data is provided, afterwards, an extension of the range of thermodynamic conditions with respect to the one of the experimental campaign is performed. Finally, a thorough discussion on the main NICFD behaviors characterizing under-expanded jet flows is produced. Among the most notable results, directly following from previous researches on nozzles, the dependence on total conditions of non-dimensional quantities along the isentropic expansion and a similarity strategy based on the total compressibility factor Zt which may help in reducing the number of variables playing a role in challenging tasks such as turbine design and wind tunnel and probes calibration in non-ideal regime.

Nel campo della gasdinamica, grande rilievo assumono quelle applicazioni i quali fluidi di lavoro presentano uno stato termodinamico rarefatto e il conseguente comportamento è ben descritto dalla legge dei Gas Ideali. Tuttavia, ogniqualvolta il fluido di lavoro è costituito da vapori che presentano un alto grado di complessità molecolare, modelli termodinamici più avanzati sono richiesti. I fenomeni caratteristici che ne conseguono sono studiati dalla Fluidodinamica Comprimibile Non-Ideale (NICFD). Tra gli argomenti di maggior interesse nel campo della NICFD risulta l’ottimizzazione degli impianti di produzione energetica che implementano Organic Rankine Cycles (ORC). Questi caratteristici cicli termodinamici utilizzano come fluidi di lavoro vapori vicino alla curva di saturazione liquido-vapore e sono impiegati per la produzione di energia elettrica per conversione da sorgenti di energia termica non convenzionali. È in questo orizzonte che si colloca il laboratorio CREA del Politecnico di Milano, Milano, Italia, e più in particolare la galleria del vento TROVA a configurazione blow-down che rappresenta un’eccellenza mondiale nell’investigazione sperimentale di flussi supersonici di silossani MM e MDM che operano in condizioni non-ideali. L’obbiettivo della presente ricerca è quello di estendere al problema dei getti sotto-espansi di MM, i risultati ottenuti riguardo i fenomeni non-ideali che caratterizzano le espansioni supersoniche in ugelli. Il lavoro presenta sia una campagna sperimentale che una analisi attraverso simulazioni numeriche. Inoltre, è presentato un modello numerico il cui punto di forza è rappresentato dall’implementazione di una strategia iterativa di adattazione di griglia per un’efficiente risoluzione del campo di moto. Per prima cosa è fornito un paragone tra dati numerici e sperimentali, dopodiché, l’estensione delle condizioni termodinamiche investigate è stata ampliata rispetto a quelle incontrate durante la campagna sperimentale. In fine, viene eseguita un’esaustiva analisi dei principali fenomeni non-ideali che sono risultati tipici dei getti sotto-espansi. Tra i risultati più rilevanti si trova la dipendenza dalle condizioni totali delle variabili adimensionali lungo l’espansione isentropica insieme alla conferma del fattore totale di comprimibilità come efficiente parametro di similitudine, come riscontrato nelle espansioni in ugelli. L’individuazione di parametri di similitudine può costituire un grande vantaggio nel momento in cui si ottiene una riduzione delle variabili caratteristiche in applicazioni come la progettazione di turbine o la calibrazione di gallerie del vento e strumenti di misura.