Sviluppo di un modello CFD per la simulazione di espansori volumetrici di cicli ORC per il recupero termico dai gas di scarico di motori a combustione interna

This MSc thesis focuses on the implementation of thermodynamic models in the software OpenFOAM in order to take account of the real gas effect when the interested quantities are computed. Furthermore this models have been applied to CFD simulation of a sliding vane volumetric expander used in a ORC cycle for waste heat recovery. In order to handle the particular motion of the calculation grid, a customized application of the software has been developed. The model uses a mesh deformation technique followed by a mesh to mesh interpolation, switching from the calculation grid to the new one on the basis of considerations on the deformed mesh quality. This particular approach allows to account for the presence of leakages occurring between the stator and the blade, implementing appropriate models based on the Darcy-Forcheimer porous media approach. This models permit to control the mass flow through the gap. Moreover, the analysis has allowed the estimation of the influence of the leakage mass flow on overall machine performaces, such as the output power and torque. For what concerns the working fluid (R245fa) it has to be taken into account that its thermodinamic properties are strongly dependent on real gas effects, so it has been proposed the calculation of such properties via the implemented analytical methods and via interpolation methods of values from NIST database. Finally it has been considered the effect of the unsteadyness of the bounduary conditions on the machine performances, simulating a system which comprize the expander and the adimission and escape pipe. The computed results has been compared with experimental data for six different operating conditions of rotating speed, mass flow, pressure drop and fluid temperature.

Questo lavoro di tesi si propone di implementare dei modelli termodinamici nel software OpenFOAM per tenere conto dell'effetto di gas reale nel calcolo delle grandezze di interesse. In seguito si sono applicati tali modelli per simulare, tramite l'utilizzo della CFD, un espansore volumetrico utilizzato in un ciclo ORC per il recupero termico di calore di scarto. Per gestire il movimento della griglia di calcolo sono state create delle applicazioni ad hoc nel software. Il modello utilizza una tecnica di deformazione della mesh a cui segue un'interpolazione da mesh a mesh, passando da una griglia di calcolo all'altra sulla base di criteri che tengono conto della qualità della mesh deformata. Questo approccio permette inoltre di tenere in considerazione la presenza di trafilamento tra la pala rotorica e lo statore implementando degli opportuni modelli basati sull'approccio di mezzo poroso di Darcy-Forchheimer, che controllano il flusso di massa attraverso tale zona. Questa analisi ha inoltre permesso di studiare l'influenza del trafilamento sulle prestazioni globali della macchina, come ad esempio la potenza e la coppia in uscita. Per quanto riguarda il fluido di lavoro (R245fa) si tiene conto del fatto che le sue proprietà termodinamiche sono fortemente soggette agli effetti di fluido reale e se ne propone il calcolo sia con i metodi analitici implementati che interpolando i valori forniti dal database NIST. Infine si è considerato l'effetto dell'instazionarietà delle condizioni al contorno sulle prestazioni della macchina simulando un sistema costituito dalla macchina comprensiva di condotti di ammissione e scarico. I risultati ottenuti sono stati confrontati con i dati sperimentali per sei condizioni operative che differiscono per velocità di rotazione, flusso di massa, salto di pressione e temperatura del fluido.