An open-source framework for the numerical analysis of constant and variable thickness scroll compressors

Numerical analyses are one of the most important tools to evaluate the performance of scroll compressors and expanders. 0-D models are an important solution to obtain fast and reliable information on the general performance of these machines, while CFD simulations give more accurate data on the transient behaviour of the compressors, especially during the suction and discharge process. Unfortunately, the availability of open-source tools for low-order and CFD simulations of positive displacement machines is still limited. In this thesis, the author has performed both 0-D and CFD analyses of scroll machines. The numerical tool selected for low-order simulations is a recently published open-source tool for the quasi-static analysis of positive displacement machines, PDSim. On the other hand, the well known OpenFOAM software has been adopted for 3-D numerical analyses. Contributing to the expansion of the open-source modelling capabilities of scrolls, two sets of libraries for OpenFOAM have been developed. The first, CoolFOAM, is a wrapper that couples OpenFOAM with the thermophysical library CoolProp. The second, scrollFOAM, extends the software capabilities allowing to perform full 3-D simulations of scrolls. All the numerical tools employed in this thesis have been validated against experimental references and test cases retrieved in the literature. In particular, the results of PDSim and OpenFOAM simulations have been compared to each other and to a set of measurements taken from an industrial scroll compressor. The libraries have been employed for different analyses, including the investigation of real gas effects on CFD simulations of a scroll expander and a multi-component numerical investigation of a portion of an ORC. From the compressor point of view, the behaviour in off-design conditions and a sensitivity analysis of gap widths have been objects of additional studies. Lastly, both scrollFOAM and PDSim have been adapted to support a new geometrical formulation for variable thickness scroll geometries. The adoption of variable thickness wraps is theoretically associated with several advantages, including costs reduction and increased efficiencies. Finally, PDSim and OpenFOAM have been coupled to form an open-source tool-chain for the design and optimization of constant and variable thickness scrolls. This tool-chain has been tested by performing a kriging optimization process of a variable thickness compressor working in under-compression. Starting from a constant thickness reference, the optimized geometry reached comparable performance with a consistent reduction of the manufacturing costs.

Le simulazioni numeriche rappresentano uno degli strumenti più rilevanti per la valutazione delle performance di compressori ed espansori di tipo scroll. I modelli monodimensionali sono una soluzione importante per ottenere informazioni veloci ed affidabili sul funzionamento generale di queste macchine, mentre le analisi CFD forniscono dati più accurati sul loro comportamento transitorio, in particolare durante i processi di aspirazione e scarica. Sfortunatamente, la disponibilità di strumenti open-source per condurre analisi di basso ordine su macchine volumetriche è ancora limitata. In questa tesi, l'autore ha realizzato sia analisi monodimensionali che simulazioni di fluidodinamica computazionale su macchine di tipo scroll. Il software scelto per le simulazioni a basso ordine è PDSim, un codice open-source rilasciato di recente e utilizzato per le analisi quasistatiche di macchine volumetriche. In alternativa, il ben noto software OpenFOAM è stato adottato per realizzare analisi tridimensionali. Contribuendo all'espansione delle possibilità di modellazione open-source di macchine scroll, sono stati realizzate due serie di librerie software per OpenFOAM. La prima, CoolFOAM, è un wrapper che connette OpenFOAM con la libreria termofisica CoolProp. La seconda, scrollFOAM, estende le possibilità del software permettendo di realizzare simulazioni di scroll totalmente tridimensionali. Tutti gli strumenti numerici utilizzati in questa tesi sono stati validati utilizzando dati sperimentali e modelli recuperati in letteratura. In particolare, i risultati di PDSim e OpenFOAM sono stati confrontati tra di loro e con una serie di misurazioni effettuate su un compressore scroll di origine industriale. Le librerie sviluppate sono state impiegate nell'ambito di diverse analisi, tra cui uno studio degli effetti di gas reale sulle simulazioni CFD di un espansore scroll e un'analisi multi-componente di una porzione di un ciclo ORC. Dal punto di vista del compressore, è stato studiato il comportamento della macchina in condizioni fuori progetto. In aggiunta, è stata effettuata un'analisi di sensibilità sull'effetto dei trafilamenti all'interno della macchina. In seguito, sia scrollFOAM che PDSim sono stati adattati per supportare una nuova formulazione geometrica per geometrie scroll a spessore variable. L'adozione di spirali a spessore variabile è teoricamente associata con diversi vantaggi, tra cui una riduzione dei costi e un aumento dei rendimenti. Infine, PDSim e OpenFOAM sono stati accoppiati per formare una catena open-source per la progettazione e ottimizzazione di scroll a spessore costante e variabile. Questa catena è stata testata realizzando un'ottimizzazione di tipo kriging centrata su un compressore a spessore variabile operante in condizioni di under-compression. Partendo da un riferimento iniziale a spessore costante, la geometria ottimizzata ha dimostrato di raggiungere prestazioni comparabili associate a una consistente riduzione dei costi di produzione.