Studio multi-scala dell’instabilità di compressori radiali in cicli chiusi a pompa di calore

Abstract

L’obiettivo di questa tesi è lo studio delle instabilità di un compressore centrifugo inserito in un sistema a pompa di calore a circuito chiuso mediante approccio multi-scala. Alla descrizione della dinamica globale del sistema viene affiancata una descrizione locale del flusso all’interno del compressore. A tal fine si utilizzano due diversi metodi di modellizzazione: il primo, a livello di sistema, prevede una rappresentazione a parametri concentrati quasi 1-D del circuito a pompa di calore; il secondo, a livello di componente, utilizza una rappresentazione fluidodinamica 3D in regime transitorio del compressore. Lo scopo del presente lavoro è la validazione, utilizzando dati sperimentali originali, del modello dinamico quasi 1D precedentemente sviluppato in ambiente TRANSEO-MATLAB dal Thermochemical Power Group (TPG) dell’Università di Genova, supportando le ipotesi del modello con l’analisi 3D del compressore. I dati sperimentali sono stati acquisiti presso il banco prova dell’Università di Genova utilizzando un compressore prodotto e fornito da Carrier Corp. (USA). Lo sviluppo di un modello CFD (Computational Fluid Dynamics) del compressore tramite la piattaforma Ansys CFX è fondamentale per comprendere il comportamento instazionario della macchina al limite di stabilità, cogliendone la fluidodinamica tridimensionale. Tale modello costituisce la base per una futura integrazione tra i due modelli numerici (quasi 1D e CFD) con l’obiettivo di sviluppare un modello multi-scala capace di accoppiare le equazioni di bilancio implementate in TRANSEO con una descrizione più dettagliata dei fenomeni fluidodinamici che si verificano all’interno del compressore.

The objective of this thesis is to study the instabilities of a centrifugal compressor within a closedloop heat pump system using a multi-scale approach. A description of the system overall dynamics is complemented by a local description of the flow inside the compressor. Therefore, two different modeling methods are employed: the first, at system scale, involves a quasi 1D lumped-parameter representation of the relevant heat pump loop, while the second, at component scale, utilizes a 3D unsteady fluid-dynamic representation of the compressor. The goal of this study is to validate—using original experimental data—the quasi-1D dynamic model, previously developed in TRANSEOMATALB by the Thermochemical Power Group (TPG) at the University of Genoa, supporting model assumptions by 3D compressor analysis. The experimental data were acquired at the test rig of University of Genoa, using a compressor originally manufactured and supplied by Carrier Corp. (USA). Developing a CFD (Computational Fluid Dynamics) model of the compressor using the Ansys CFX platform is crucial for understanding the machine unsteady behavior at the stability limit by capturing its three-dimensional fluid dynamics. This model serves as the foundation for the future integration of the two numerical models (quasi-1D and CFD), aiming to create a multi-scale model capable of coupling the balance equations implemented in TRANSEO with a more detailed description of the fluid-dynamic phenomena occurring within the compressor.