3D CFD modelling of sCO2 Tesla turbine prototypes

Tesla turbines are unconventional bladeless fluid machines that extract energy from the working fluid through viscous shear stresses between the fluid and rotating disks. Their constructive simplicity, low manufacturing cost, and suitability for low volumetric flow rates make them attractive candidates for small-scale energy recovery applications. This Thesis presents a three-dimensional Computational Fluid Dynamics investigation of two Tesla turbine prototypes operating with supercritical CO₂, developed within the framework of the ECO-SEARCHERS National project and SCO2OP-TES European research project, aiming to develop a Pumped Thermal Energy Storage system based on a combination of direct and reverse supercritical CO₂ cycles. All simulations were performed in ANSYS Fluent using a steady-state, pressure-based coupled RANS solver together with the κ-ω SST turbulence model. The thermodynamic and transport properties of the working fluid were evaluated through NIST REFPROP real gas tables. The computational domain was reduced to just half the inter-disk gap with appropriate symmetry boundary conditions to limit computational cost, following the methodology established in prior studies. For the ECO-SEARCHERS prototype, the simulation at 15,000 rpm yielded a total-to-static isentropic efficiency of 53.3%, with good agreement with analytical predictions. For the SCO2OP-TES prototype, four meshes of increasing refinement were generated and compared in a grid independence study. The finest mesh, consisting of approximately 11.6 million cells, predicted a total-to-static efficiency of 41.1% at the nominal speed (15,000 rpm) and dropping to 36.1% at 12,000 rpm. The reduction in efficiency relative to the ECO-SEARCHERS machine was attributed primarily to higher stator losses caused by the thicker volute tongue, required to withstand greater structural loads. The results confirmed the ability of the κ-ω SST model to reproduce the turbulent-laminar transition occurring within the rotor gap. A complete steady-state solution was not achieved due to unsteady flow features associated with the volute tongue wake, suggesting that transient simulations would be better suited for future high-fidelity analyses. This work confirms the validity of the adopted CFD framework for the analysis of Tesla turbines operating with supercritical CO₂, and provides a solid foundation for the geometric optimisation of the volute tongue and for future unsteady CFD investigations.

Le turbine Tesla sono macchine a fluido non convenzionali prive di pale che estraggono energia dal fluido di lavoro attraverso gli sforzi di taglio viscosi tra il fluido e i dischi rotanti. La loro semplicità costruttiva, il basso costo di produzione e l'idoneità a portate volumetriche ridotte le rendono candidate interessanti per applicazioni di recupero energetico su piccola scala. Questa Tesi presenta un'indagine tridimensionale di fluidodinamica computazionale su due prototipi di turbina Tesla operanti con CO₂ supercritica, sviluppati nell'ambito del progetto nazionale ECO-SEARCHERS e del progetto europeo SCO2OP-TES, volti a sviluppare un sistema di accumulo energetico, chiamato Pumped Thermal Energy Storage (PTES), basato sulla combinazione di un ciclo diretto ed un ciclo inverso a CO₂ supercritica. Tutte le simulazioni sono state eseguite in ANSYS Fluent, adottando un solutore RANS stazionario e pressure-based accoppiato, insieme al modello κ-ω SST a due equazioni. Le proprietà termodinamiche e di trasporto del fluido di lavoro sono state valutate tramite le tavole di gas reale NIST REFPROP. Il dominio computazionale è stato ridotto alla metà della distanza tra i dischi con opportune condizioni al contorno di simmetria per limitare il costo computazionale, seguendo la metodologia consolidata in studi precedenti. Per il prototipo ECO-SEARCHERS, la simulazione a 15.000 rpm ha fornito un'efficienza isentropica total-to-static del 53,3%, in buon accordo con le previsioni analitiche. Per il prototipo SCO2OP-TES, quattro mesh di raffinamento crescente sono state generate e confrontate in uno studio di grid independence. La mesh più fine, composta da circa 11,6 milioni di celle, ha previsto un'efficienza totale-statica del 41,1% alla velocità di rotazione nominale (15.000 rpm) e una diminuzione al 36,1% a 12.000 rpm. La riduzione di efficienza rispetto alla macchina ECO-SEARCHERS è stata attribuita principalmente alle maggiori perdite nello statore causate dall'unghia della voluta più spessa, necessaria per resistere a carichi strutturali più elevati. I risultati hanno confermato la capacità del modello κ-ω SST di riprodurre la transizione turbolenta-laminare che si verifica nel rotore. Una soluzione stazionaria completa non è stata raggiunta a causa di fenomeni di flusso instazionario associati alla scia dell'unghia della voluta, il che suggerisce che simulazioni transitorie sarebbero più adatte per future analisi più accurate. Questo lavoro conferma la validità del framework CFD adottato per l'analisi di turbine Tesla operanti con CO₂ supercritica, e fornisce una solida base per l'ottimizzazione geometrica dell'unghia della voluta e per future indagini CFD instazionarie.