Modelagem e simulação de escoamento turbulento em compressor de CO2 supercrítico. - Matos, Júlia Silva de (2020)
A dinâmica de fluidos computacional (CFD) tem sido amplamente utilizada como ferramenta para projetar, avaliar e melhorar dispositivos de turbo máquinas e neste contexto os ciclos supercríticos tem ganhado cada vez mais atenção da comunidade científica. Este estudo propõe-se a modelar, simular e avaliar o comportamento de um compressor operando com CO2 na região termodinâmica acima do ponto crítico líquido-vapor, em CFD. O Sandia National Laboratories divulgou em 2010 um relatório com informações à respeito de seu loop de ciclo Brayton em pequena escala operando com CO2 supercrítico (S-CO2) que tem sido amplamente utilizado para validação e análises de modelos numéricos. Para obter resultados precisos em termos de eficiência prevista e desempenho do compressor os aspectos fundamentais dos fluxos que evoluem perto do ponto crítico devem ser investigados. Assim, um modelo de simulação em um Software comercial baseado no método de volumes finitos foi desenvolvido a partir do projeto experimental do Sandia. O escoamento foi modelado numericamente e assumido como estado estacionário, turbulento e tridimensional. Apenas o impelidor foi considerado para a modelagem. Adotou-se o modelo de turbulência k-?-SST e foram geradas três malhas com graus diferentes de refino da camada limite com posterior estudo de independência realizado pelo método do Índice de Convergência de Malha (GCI), indicando baixas incertezas numéricas. A definição das propriedades termodinâmicas foi feita pela geração de tabelas específicas para a região de trabalho empregada por um software comercial que engloba as equações estado de Span & Wagner para o S-CO2. Os resultados foram validados em termos de razão de pressão para diferentes casos, variando as condições iniciais, comparando seus valores com os valores experimentais, apontando erro relativo médio de 1,264%, com valor máximo de 3,012% e mínimo de 0,145% para a razão de pressão. 93,65% dos elementos da malha apresentam valores de Y+ menores que 10 e apenas 1,38% dos elementos da malha apresentam valores de Y+ maiores que 15. Na simulação 3D, foram estudados aspectos fenomenológicos e termodinâmicos, a fim de elucidar um maior grau de relevância das variáveis relacionadas ao problema.