Non-equilibrium condensation occurs in engineering applications such as steam turbines, injectors, carbon dioxide supercritical compressors and supersonic gas flow separators. Consequently, any model able to characterize such a phenomenon is pursued in the field. This Masters dissertation describes two approximations for solving condensation shocks in supersonic nozzle flows. A gas-kinetic model has been developed based on a Single Fluid Model approximation, which consists of coupling nucleation and droplet growth concepts to the solution of algebraic conservation equations for compressible flow. The second method assumes the phase transition as a flow discontinuity, the jump conditions across the condensation shock are determined from intersections on Rayleigh and Hugoniot curves. Both methods have been implemented assuming steady-state in a quasi-one-dimensional flow model, and using cubic and complex multi-parameter equations-of-state in order to reproduce the non-ideal gas flow behavior of steam and carbon dioxide. Several simulations were performed in different nozzle geometries and flow conditions. The results shows that the weak detonation state from the discontinuity model, and the implemented gas-kinetic approximation estimate with accuracy the pressure recovery that occurs in condensing nozzle flows. It has been found that the predicted pressure expansion lines are in agreement with experimental data for steam, and discrepancies within 8% were found for the carbon dioxide case. The estimated average droplet radius size distribution presents the order of magnitude of the experimental values reported by the literature.

Condensação em condições de não equilíbrio ocorre em aplicações de engenharia como turbinas a vapor, injetores, compressores supercríticos de dióxido de carbono e separadores supersônicos. Em consequência, modelagens deste fenômeno são realizadas na área. Esta pesquisa descreve duas aproximações para a caracterização de choques de condensação em escoamentos supersônicos. Uma modelagem de gás cinética foi desenvolvida com base na aproximação de um modelo de fluido único, que consiste no acoplamento dos conceitos de nucleação e de crescimento de gotículas à solução de equações algébricas de conservação para escoamento compressível. O segundo método assume a transição de fase como uma descontinuidade no escoamento, sendo que as condições de salto através do choque de condensação são determinadas a partir das interseções nas curvas Rayleigh e Hugoniot. Os dois métodos foram implementados assumindo o estado estacionário em um modelo de escoamento quase-unidimensional, usando equações cúbicas e multiparamétricas para reproduzir o comportamento não ideal em escoamentos de vapor e de dióxido de carbono. Várias simulações foram realizadas para diferentes geometrias de bocal e condições de fluxo. Os resultados mostram que a solução da detonação fraca na modelagem da descontinuidade, a aproximação gas-cinética estimam com precisão a recuperação de pressão que ocorre na condensação em escoamentos supersônicos. O modelo indicou que as linhas de pressão nas expansões têm baixo desvio com respeito aos dados experimentais da fase vapor dágua (menores que 3%), sendo que as discrepâncias menores que 8% foram atingidas no caso do dióxido de carbono. A estimativa da distribuição do tamanho médio do raio das gotículas apresenta a ordem de magnitude dos valores experimentais reportados na literatura.