Multi-fidelity shape optimization of sCO2 centrifugal compressors

The aerodynamic design of centrifugal compressors for supercritical carbon dioxide (sCO2) power cycles is challenged by pronounced non-ideal fluid behavior and the potential onset of two-phase flow phenomena. Single-fidelity (SF) shape optimization methods, relying solely on high-fidelity (HF) computational fluid dynamics (CFD) simulations, can reveal new design paradigms for these machines but involve substantial computational costs. A promising alternative is represented by multi-fidelity (MF) surrogate-based optimizers, which exploit low-fidelity (LF) simulations to improve the accuracy of HF surrogates while reducing the cost of exploring the design space. In this thesis, a revised MF framework based on recursive co-Kriging leveraging both LF and HF CFD simulations, is proposed and applied on sCO2 centrifugal compressors to investigate the aerodynamic potential of fully three-dimensional (bowed) impeller blades compared with conventional ruled-surface blades. The framework is also employed for performing a multi-point optimization including both design and off-design operating conditions of a single-stage sCO2 centrifugal compressor. The HF model includes inlet guide vanes and a volute, while the LF model employs simplified domains and coarser meshes. This bi-fidelity strategy achieves substantial computational savings of approximately 67% compared to SF HF-only approaches, while maintaining predictive accuracy. Results show that bowed blades enhance aerodynamic performance by promoting smoother streamwise diffusion and reducing spanwise pressure gradients, mitigating flow separation and extending the operational range. Multi-point optimization strategies further improve efficiency across both design and off-design conditions, ensuring stage flexibility. Together, these findings demonstrate a robust and cost-effective framework for exploring complex compressor design spaces and achieving high-performance, flexible, and reliable sCO2 centrifugal compressors.

La progettazione aerodinamica dei compressori centrifughi per cicli di potenza ad anidride carbonica supercritica (sCO2) è complessa a causa della marcata non‑idealità del fluido e del possibile insorgere di regimi bifase. I metodi di ottimizzazione a singola fedeltà (SF), basati esclusivamente su simulazioni CFD ad alta fedeltà (AF), possono rivelare nuove direzioni progettuali per queste macchine, ma implicano costi computazionali elevati. Un’alternativa promettente è offerta dagli ottimizzatori basati su surrogati multi‑fedeltà (MF), che sfruttano simulazioni a bassa fedeltà (BF) per migliorare i surrogati AF e ridurre il costo dell’esplorazione progettuale. In questa tesi è proposto e applicato un approccio MF perfezionato, basato su co‑Kriging ricorsivo, che integra simulazioni CFD BF e AF per analizzare il potenziale aerodinamico di pale di girante completamente tridimensionali rispetto a pale convenzionali a superficie regolata. La strategia è inoltre utilizzata per condurre un'ottimizzazione multi‑punto, considerando condizioni operative di progetto e fuori progetto, su un compressore centrifugo monostadio a sCO2. Il modello HF include pale guida d’ingresso e voluta, mentre il modello LF impiega domini semplificati e griglie più grossolane. Questa strategia bi‑fedeltà consente un risparmio computazionale del 67% rispetto agli approcci SF esclusivamente AF, senza comprometterne l’accuratezza predittiva. I risultati dimostrano che le pale tridimensionali migliorano le prestazioni aerodinamiche grazie a una diffusione del flusso più uniforme e a ridotti gradienti di pressione lungo l'altezza di pala, mitigando le separazioni e ampliando il range operativo. Le strategie di ottimizzazione multi‑punto migliorano l’efficienza sia in condizioni di progetto che fuori progetto, garantendo la flessibilità dello stadio. In sintesi, quanto emerso dimostra che l’approccio progettuale adottato è robusto ed economicamente efficiente per esplorare spazi progettuali complessi e ottenere compressori centrifughi a sCO2 ad alte prestazioni, flessibili e affidabili.