CFD-BASED DIGITAL-TWIN METHODOLOGY FOR A TWO-STAGE R1234YF CENTRIFUGAL COMPRESSOR

This thesis develops and assesses a Digital Twin methodology for an R1234yf vapour-compression system equipped with a two-stage oil-free centrifugal compressor. The work integrates CFD-derived compressor performance maps, dynamic system modelling in OpenModelica/ThermoCycle, and the processing of experimental test-bench data. The CFD results are processed to generate the numerical maps used by the compressor model, while the experimental measurements are used to reconstruct the thermodynamic states and compare simulated and measured performance. The model reproduces the main qualitative trends of the system but systematically overpredicts the overall pressure ratio and isentropic efficiency. An important aspect for further improvement concerns the CFD representation of the compressor operating clearances, which were not included in the simulations performed in this work. Their influence can be particularly significant in small-scale machines, where clearance-related aerodynamic losses can have a substantial impact on overall compressor performance. Further developments should therefore include a more realistic CFD modelling of these clearances, stage-specific compressor maps, and improved experimental characterisation, with the aim of increasing quantitative accuracy and achieving a more comprehensive validation of the Digital Twin.

La tesi sviluppa e valuta una metodologia di Digital Twin per un sistema a compressione di vapore con refrigerante R1234yf equipaggiato con un compressore centrifugo bistadio oil-free. Il lavoro integra la costruzione di mappe prestazionali del compressore ottenute mediante simulazioni CFD, la modellazione dinamica del circuito in OpenModelica/ThermoCycle e l’elaborazione dei dati sperimentali acquisiti su banco prova. I risultati CFD vengono elaborati per generare le mappe numeriche utilizzate nel modello del compressore, mentre i dati sperimentali consentono di ricostruire gli stati termodinamici e di confrontare le prestazioni simulate con quelle misurate. Il modello riproduce le principali tendenze qualitative del sistema, ma mostra una sovrastima sistematica del rapporto di pressione e del rendimento isentropico. Un aspetto rilevante per il miglioramento del modello riguarda la rappresentazione CFD dei giochi di funzionamento del compressore, non considerati nelle simulazioni svolte. Il loro effetto può risultare particolarmente significativo nelle macchine di dimensioni contenute, influenzando le perdite aerodinamiche e le prestazioni complessive. Ulteriori sviluppi dovranno quindi includere una modellazione CFD più realistica di tali giochi, mappe specifiche per ciascuno stadio e una migliore caratterizzazione sperimentale, al fine di migliorare l’accuratezza quantitativa e la validazione del Digital Twin.