Riassunto analitico
Il Syngas, “synthesis gas”, è un combustibile alternativo composto principalmente da idrogeno (H2), monossido di carbonio (CO) e da alcuni diluenti quali acqua (H2O), azoto (N2) e anidride carbonica (CO2). È ottenibile mediante un processo detto “gassificazione” a partire da combustibili fossili convenzionali (gas naturale, carbone) oppure da biomasse. La sempre crescente domanda energetica ha reso necessaria la ricerca di combustibili e fonti di energia sostenibili ed alternative rispetto a quelle convenzionali. Nonostante il syngas sia un combustibile alternativo promettente, il suo utilizzo nel campo dei motori a combustione interna non è stato adeguatamente studiato. In letteratura, infatti, sono presenti alcuni studi sulla combustione del syngas o a temperatura ambiente e pressione elevate, oppure per miscele preriscaldate a pressione prossima a quella ambiante. In entrambi i casi, si tratta di condizioni termodinamiche abbastanza lontane da quelle presenti nei motori, che vedono pressioni e temperature decisamente elevate. È essenziale ottenere una sufficiente conoscenza del fenomeno di combustione del syngas per sfruttarne a pieno le potenzialità. L’analisi CFD della combustione offre senza dubbio un grado di dettaglio notevole del fenomeno, a valle di una taratura dei modelli predittivi, ed in particolare dei modelli di combustione, su dati sperimentali. Sia dal punto divista fisico che della modellazione numerica una delle caratteristiche più importanti di una miscela che brucia è la sua velocità laminare di fiamma, che è inoltre una delle informazioni usate in input dalla maggior parte dei modelli di combustione. Nella prima parte dell’elaborato di tesi è presentata la metodologia adoperata per ottenere una correlazione che esprima la velocità di fiamma a partire da una serie di simulazioni di cinetica chimica, basate sui due schemi Grimech3.0 e POLIMI. Sono state individuate dodici condizioni motoristiche in termini di pressione e temperatura; in corrispondenza di queste condizioni termodinamiche, a seguito di una validazione rispetto a misure sperimentali presenti in letteratura, i due schemi di cinetica chimica sono stati sfruttati per ottenere una serie di misure di velocità laminare di fiamma per ciascuna delle tre miscele di syngas puro (composto solo da H2 e CO): 25:75, 50:50 e 75:25, in termini di rapporto H2:CO. Per ciascun blend si sono ottenuti dei valori di velocità laminare di fiamma; dopo aver fatto una media dei risultati ottenuti con i due schemi, è stato possibile ottenere una serie di diciotto coefficienti per ciascun blend, da inserire in una correlazione poli-logaritmica che esprime la velocità laminare di fiamma in funzione delle condizioni termo-fisiche della miscela. Il vantaggio di questo metodo consiste nell’avere un input di velocità laminare di fiamma relativa ad un data miscela che conserva fedelmente le informazioni sulla cinetica chimica. La correlazione così ottenuta può essere fornita come informazione di ingresso al modello numerico di combustione, che non dovrà risolvere delle specifiche equazioni di trasporto per le numerose specie chimiche coinvolte nelle reazioni di combustione, ma solo le equazioni di trasporto e di bilancio “tradizionali”. Per valutare la robustezza dei risultati ottenuti usando questa metodologia è stato preso in considerazione un motore da ricerca, monocilindrico ad accesso ottico, di cui si conoscevano i dati motoristici relativi a due blend di syngas puro: 50:50 e /5:25 (H2:CO). A partire da una geometria CAD del suddetto motore è stato creato un modello nel pre-processor fluidodinamico es-ice e, una volta creata la mesh, si è proceduto nella simulazione della combustione dei casi con syngas puro. In fine, si sono confrontati i dati sperimentali con quelli ottenuti dalle simulazioni.
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