Riassunto analitico
In questo elaborato si analizzano diversi approcci modellistici per la simulazione CFD 3D dei processi di combustione di metano, idrogeno e loro miscele, in applicazioni fisse e mobili. Nel particolare, si comparano le capacità predittive di modelli di chimica dettagliata con approcci meno complessi di tipo flamelet. Il modello di chimica dettagliata utilizzato è il Complex Chemistry. Questo, grazie alla definizione della cinetica chimica e alla caratterizzazione delle proprietà termodinamiche e di trasporto di ogni molecola presente nel meccanismo di reazione, consente di predire gli andamenti delle frazioni in massa di tutte le molecole presenti nel meccanismo importato durante il processo di combustione. Sebbene abbia un costo computazionale maggiore rispetto ad altri modelli, dato che per ogni specie chimica presente viene risolta un’ulteriore equazione di trasporto, il Complex Chemistry consente di superare il limite dei modelli che utilizzano reazioni one-step, permettendo l’analisi della formazione sia delle specie intermedie sia di sostanze inquinanti come ossidi di azoto. Particolare attenzione viene posta anche sui sotto-modelli che si occupano della modellazione della chimica con la turbolenza, come il Laminar Flame Concept (LFC), Eddy Dissipation Concept (EDC) e Turbulent Flame Speed Closure (TFC). Nel caso di simulazioni stazionarie, i risultati ottenuti con approcci di chimica di dettaglio sono confrontati con quelli derivati tramite utilizzo di modelli di tipo flamelet come il Flamelet Generated Manifold (FGM). La caratteristica di questo modello sta nel parametrizzare le grandezze caratteristiche di un processo di combustione, come ad esempio frazioni in massa delle specie e temperatura, attraverso mixture fraction, variabile di progresso ed entalpia, con il vantaggio di una notevole riduzione del costo computazionale. I diversi comportamenti dei modelli di combustione e dei sotto-modelli che si occupano dell’interazione chimica-turbolenza sono inizialmente investigati su una serie di fiamme libere, di cui un vasto database di dati sperimentali è disponibile in letteratura. Nel particolare, in un primo momento si analizza una fiamma pilotata di metano (Sandia Jet Flame D), per poi esaminare il comportamento di due fiamme semplici di idrogeno (H3 flame) e di una miscela tra idrogeno e metano (DLR_A). Successivamente si studia l’applicabilità dei modelli di chimica dettagliata per quanto riguarda il processo di combustione all’interno di un motore il cui combustibile è idrogeno. Il caso in esame è di particolare interesse se si considerano i possibili sviluppi futuri del settore automotive legati alle politiche europee del Fit for 55. Si confrontano gli indici di combustione e le tracce caratteristiche di pressione e temperatura, ottenute tramite l’utilizzo dei diversi modelli precedentemente citati, in un primo momento su una geometria a camera ferma, per poi passare alla simulazione con pistone in movimento con In-Cylinder.
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