Simulations Numériques Avancées d’Éjecteurs Diphasiques au CO2

Abstract

Over the last decade, Carbon dioxide (R744) a natural fluid has gained significant interest as a potential substitute for synthetic refrigerants commonly used in refrigeration, air-conditioning, and heat pump systems. Because of CO2 properties, such cycles generally operate in transcritical conditions. Moreover, their Coefficient Of Performance (COP) is relatively low compared to conventional cycles using synthetic refrigerants, because of higher entropy production of C02 along an isenthalpic expansion from a supercritical state to a subcritical state. Integrating a two-phase ejector, as an expansion device, is a promising technology to significantly improve the system efficiency, which would make CO2 adequate for HVAC applications. For example, in a CO2 ejector-expansion system, an ejector replaces the classical throttling valve to partly recover the throttling losses and provides a compression work reducing the compressor load. As a result, the COP and cooling capacity can be improved. However, many complex physical phenomena occur within a two-phase CO2 ejector and they are not yet fully understood, such as the turbulent mixing between the primary and the secondary flows, the flashing in the primary nozzle, shock waves-shear layer interactions, as well as phase-change processes. In this thesis, a numerical approach was developed by combining an efficient look-up table method for CO2 properties, density-based solvers, and characteristic Navier-Stokes boundary conditions (NSCBC) in order to correctly predict those complex flow features. This look-up table method allows to compute vapor, liquid, supercritical and two-phase properties of CO2 from 217K to 1000K and pressures up to 50MPa. It was coupled to three density-based solvers which allow to perform inviscid simulations, Reynolds-Averaged Navier-Stokes Simulations (RANS), and Large-Eddy Simulations (LES). Validations and verifications were performed for these three solvers. Then, Converging-diverging nozzles and ejectors were investigated by using RANS simulations. The developed solver was used to conduct an exergy tube analysis for a two-phase CO2 ejector and the sensibility of the method to the numerics was discussed. Finally, the compound-choking theory was extended for real gas flows and it was used to check the choking condition of the investigated ejector.

L’objectif principal de ce travail de thèse est de développer une approche numérique complète capable de simuler de manière précise et rapide l’écoulement et les transferts exergétiques au sein d’éjecteurs transcritiques au CO2. Tout d’abord, une méthode tabulée basée sur l’équation d’état de Span-Wagner (SW) est développée pour calculer les propriétés du CO2 [59] à l’état de vapeur, liquide, supercritique et diphasique. Cette approche est précise et efficace. Les écarts relatifs maximaux par rapport à l’équation d’état de SW sont de 0.23% et 1.2% pour la pression et la vitesse du son, respectivement et l’écart absolu maximal pour la température est de 0.06 K. Dans le cas d’un tube à choc 1D, cette approche s’avère de 66.6 à 90 fois plus rapide que si on utilise l’équation d’état de SW. Deuxièmement, cette méthode tabulée est couplée à trois solveurs basés sur la densité : CLAWPACK pour les simulations d’écoulements inviscides, rhoCentralFoam pour des modélisations RANS (Reynolds-Average Navier-Stokes) essentiellement et AVBP pour des simulations des grandes échelles. Différents cas tests en 1D et 2D sont effectués pour valider l’implémentation de la méthode dans ces trois solveurs. Ces cas incluent les problèmes du tube à choc, de la dépressurisation et de la cavitation. Troisièmement, afin de se rapprocher des éjecteurs, les tuyères convergentes-divergentes de Nakagawa et al. dans des conditions supercritiques et sous-critiques sont simulées à l’aide des solveurs CLAWPACK et rhoCentralFoam. On constate que le modèle de turbulence a une influence significative sur les résultats numériques, en particulier pour les tuyères ayant un petit angle divergent. La tuyère de Berana et al. est étudiée également. Un choc épais est prédit, ce qui correspond bien aux mesures expérimentales. Quatrièmement, l’éjecteur de Li et al. est examiné via le solveur rhoCentralFoam pour une condition on-design. L’analyse des tubes d’exergie proposée par Lamberts et al. pour un éjecteur à air est appliquée. La sensibilité de la méthode est discutée. La résolution des gradients a une influence significative sur les termes de destruction. Par conséquent, le maillage et les schémas numériques peuvent affecter fortement l’analyse des tubes d’exergie. Enfin, la théorie de “compound-choking” est étendue à l’écoulement diphasique au CO2. Elle prédit que l’écoulement est choqué au début de la section de mélange, tandis que selon la ligne sonique, l’écoulement est choqué à la fin de cette section. Finalement, des calculs RANS d’un éjecteur complet sont comparées à de nouvelles mesures faites sur le banc expérimental développé au Laboratoire des Technologies de l’Énergie (LTE, Shawinigan). Un bon accord est obtenu pour le profil de pression pariétale. Les tubes de transport de quantité de mouvement et d’énergie cinétique sont analysés et révèlent une zone de recirculation à l’entrée du flux secondaire. Cependant, la condition de fonctionnement n’est pas appropriée pour les cycles d’éjecteur à expansion (régime off-design).