FIRE Combustion Module

I modelli di combustione presenti nel Fire Combustion Module consentono di simulare la combustione per motori a combustione interna ad accensione spontanea ed il calcolo dei fenomeni di trasporto e miscelamento delle specie chimiche. Per simulare il comportamento di auto-accensione degli idrocarburi è possibile aggiungere schemi di reazioni chimiche dall’esterno, che si andranno ad aggiungere o sostituire a quelli già presenti all’interno del software. Tali schemi, o meccanismi, possono essere costituiti da migliaia di reazioni elementari con centinaia di specie partecipanti, comportando simulazioni molto precise e fedeli alla realtà ma ottenute con tempi di calcolo molto lunghi. Questo è dovuto al fatto che per ogni specie considerata nel meccanismo di reazione deve essere risolta un’equazione di conservazione addizionale.

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Per questo motivo si utilizzano meccanismi di cinetica chimica ridotti, nei quali vengono considerate solo le reazioni predominanti, oppure modelli di combustione.

Modelli di combustione CFM e ECFM-3Z

Tra i modelli di combustione presenti in FIRE quello che meglio descrive la combustione per motori ad accensione spontanea è l’ECFM-3Z, un sottomodello del più ampio CFM (coeherent flame model).

Il modello CFM si basa sul concetto che nei motori a combustione interna la scala temporale delle reazioni chimiche è molto più piccola rispetta a quella turbolenta; in questa maniera si può disaccoppiare il calcolo delle reazioni da quello della turbolenza.

Il CFM è applicabile sia in condizione di premiscelato che di non premiscelato, sulla base del concetto di fiamma laminare (Laminar Flamelet), i cui parametri principali sono la velocità e lo spessore, dipendenti dalla pressione, dalla temperatura e dal titolo della miscela. In tutti i modelli flamelet si assume che in una combustione premiscelata le reazioni chimiche avvengano in uno strato relativamente sottile che corrisponde al fronte di fiamma, il quale separa i gas incombusti da quelli interamente combusti.

Tra i sottomodelli del CFM compaiono l’ECFM (extended coherent flame model), dedicato alla combustione per motori ad accensione comandata, e l’ECFM-3Z (extended coherent flame model 3 zone), specifico per combustioni diesel.

Figura 9.3 - Suddivisione della cella secondo i modeli ECFM e ECFM-3Z.

L’ECFM-3Z può essere considerato come un’evoluzione dell’ECFM. Il suffisso 3Z sta ad indicare la suddivisione che il modello attua su ogni cella della camera di combustione in tre differenti zone, vedi Figura 9.3. Nel modello EFCM la cella era occupata esclusivamente dalla miscela, mentre con l’ECFM-3Z fanno la loro

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comparsa due zone aggiuntive, definite “pure”, destinate al combustibile e all’aria non ancora miscelati.

Questo modello consente di rappresentare le due diverse fasi della combustione che intervengono nei motori diesel, ovvero la fase premiscelata turbolenta non omogenea e la seconda parte diffusiva. La combustione diffusiva è rappresentata dal processo di miscelamento tra le zone Air (+EGR) e Fuel.

Con riferimento alla Figura 9.4 si possono distinguere le tre diverse zone rispettivamente prima e dopo il passaggio del fronte di fiamma.

Figura 9.4 - Schema di una cella con il modello di combustione ECFM-3Z.

Nella parte della camera di combustione investita dalla fiamma si trovano le aree dove sono presenti aria non miscelata più EGR se presente, combustibile non miscelato, e miscela tutti contrassegnati dall’apice b (burned), ad indicare che sono già combusti.

Le frecce che partono da A ed F confluiscono in M ad indicare che la miscela bruciata è formata dall’aria e dal combustibile freschi che hanno precedentemente lasciato la loro zona per miscelarsi. Alla sinistra del grafico si trovano aria, combustibile e miscela incombusti. Nella zona di miscela incombusta avviene l’autoaccensione mentre nella zona di miscela già combusta continua l’ossidazione e la formazione degli inquinanti. Tra queste due zone è interposta una piccola area indicata come premixed flame, dove avvengono le reazioni di ossidazione.

Il tempo di miscelamento è solitamente molto più elevato rispetto al tempo necessario per lo svolgimento delle reazioni chimiche nella regione dove si trova la

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miscela combusta. Ciò significa che la combustione è controllata dal miscelamento.

Il trasferimento di combustibile dalla zona pura a quella della miscela è regolato dall’evaporazione delle gocce e dal tempo di miscelamento rm, il quale è definito dalla seguente formula:

𝜏_𝑚 = 𝛽_𝑚𝜀 𝑘

Dove ε rappresenta il grado di dissipazione, k l’energia cinetica turbolenta e 𝛽𝑚

una costante con valore di default pari a 1 ma che può variare tra 0,8 e 1,2. Il trasferimento dell’aria dalla zona pura alla miscela è controllata solo da rm. Un modo per controllare la combustione è manipolare due parametri presenti all’interno del modello:

 Mixing model parameter

 Auto-ignition model parameter

Il primo parametro è la costante 𝛽𝑚 sopra citata, quindi direttamente

proporzionale al tempo di miscelamento. Il secondo parametro interviene sulla temperatura della miscela incombusta all’interno della cella per accorciare o allungare il ritardo all’accensione. La correlazione che utilizza il software per calcolare il ritardo all’accensione è la seguente:

Dove con N si intendono le concentrazioni espresse in moli per metro cubo, con T la temperatura in K, e con 𝜌̅ la densità in 𝑘𝑔/𝑚3.

La Figura 9.5 mostra quello che succede all’interno di una cella dall’istante in cui evaporano le prime gocce di combustibile, ed inizia il miscelamento, fino alla fase di combustione diffusiva e produzione degli inquinanti.

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Figura 9.5 - Evoluzione temporale di una cella dall’evaporazione del combustibile alla combustione diffusiva con produzione di inquinanti.

Con il modello ECFM-3Z è inoltre possibile utilizzare combustibili composti da più specie chimiche. Durante il calcolo, tale modello utilizza i componenti del combustibile per combinarli temporaneamente tra loro in una miscela di combustibile. Questo significa che i fenomeni di autoaccensione e propagazione del fronte di fiamma, vengono calcolati all’interno del modello di combustione per questo combustibile combinato. Quindi viene ripartito il gradiente di reazione di ogni componente. In questo modo è possibile calcolare il consumo di ogni componente separatamente, da cui dipende lo sviluppo dei prodotti della combustione.