An integrated thermodynamic CFD approach to ejector modeling

Ejectors are widely used in energy engineering and, from the first half of the twentieth century, a large amount of studies have been conducted on modeling and analyzing ejectors by using thermodynamic and Computational Fluid-Dynamics(CFD) approaches. Both modeling techniques have advantages and limits: the former ensures limited computational time and less cost than experimental method for predicting ejector performance, but it is unable to describe internal flow behavior; the latter is able to provide deep understanding of local phenomena, but it requires a higher computational cost and specific competencies in numerical methods. The integrated thermodynamic/CFD approach, proposed in this thesis, defines guidelines and proposes a novel ejectors model that, combining advantages of both described techniques, has potentiality of predicting ejectors performance, accounting local flow behavior. This approach will be applied to the case of a single phase subsonic ejector, providing a model with a structure ready to be implemented in energy power plant simulation codes. In order to achieve this result the thesis is structured as follow: in the first chapters, a description of ejector technology and a review of its modeling state-of-the-art will be provided. In the second part the structure of the novel thermodynamic model and the CFD approach will be outlined. The section related with the computational model validation is composed by a comparison of different turbulence models for subsonic ejector and by the description of a qualified approach for numerical investigation requiring application of best practices and software recommendations (the Q3 approach is used, which include the three interdependent, but related, dimensions: software reliability, user knowledge and process control). At the end, the integration of these two modeling approaches will be described and commented.

Gli eiettori trovano largo impiego nell’ingegneria energetica e, dalla prima metà del ventesimo secolo, sono stati presentati molti lavori sulla loro modellazione e analisi, usando sia un approccio termodinamico che uno basato sulla termo fluidodinamica computazionale (CFD). Entrambe queste tecniche hanno vantaggi e limiti: la prima assicura tempi di calcolo e costi minori rispetto a analisi sperimentali, a fronte di un’incapacità nel descrivere il campo di moto interno; la seconda è idonea alla descrizione di fenomeni locali, ma richiede maggiori oneri computazionali e specifiche competenze nell’ambito dei metodi numerici. L’approccio integrato termodinamico/CFD, proposto in questa tesi, definisce linee guida e propone un nuovo modello per eiettori che, riunendo i vantaggi di entrambe queste tecniche, ha la potenzialità di predire le prestazioni di eiettori tenendo in considerazione i fenomeni fluidodinamici locali. Questo approccio sarà applicato a un eiettore subsonico con flusso monofase, presentando un modello con una struttura facilmente implementabile in codici per la simulazione di impianti di potenza. Per arrivare a questo risultato la tesi è strutturata come segue: nei primi capitoli è presentata una descrizione della tecnologia degli eiettori e una presentazione sullo stato dell’arte della loro modellazione. Nella seconda parte è presentata la struttura del nuovo modello termodinamico e dell’approccio CFD. La sezione relativa alla validazione del modello numerico è costituita dal confronto delle prestazioni di modelli di turbolenza RANS per eiettori subsonici e dalla descrizione di un approccio qualificato che richiede l’applicazione delle migliori pratiche e competenze sull’utilizzo del software (è utilizzato l’approccio Q3, che include tre dimensioni indipendenti ma collegate: l’affidabilità del software, la competenza dell’utente e il controllo del processo). In conclusione sarà descritta e commentata l’integrazione di questo due approcci modellistici.