Sviluppo della fiamma e sua propagazione

Le prime reazioni chimiche sono osservabili gi`a dopo pochi nanosecondi dallo scocco della scintilla: queste avvengono a causa dell’elevata densit`a di radicali (N , H, C e O) ad elevata energia presenti nel plasma che si forma in seguito al breakdown. Dal momento che le temperatura del kernel sono troppo elevate da permettere alle specie chimiche presenti nei prodotti di combustione di esistere, le reazioni avvengo- no esclusivamente sulla superficie esterna del nucleo di plasma: qui le temperature sono dell’ordine di qualche migliaio di K, quindi ideali per far avvenire delle rapide reazioni chimiche. Un contributo significativo all’espansione del kernel dal parte del- l’energia rilasciata dalle reazioni chimiche diventa evidente solo quando la velocit`a di espansione del plasma `e scesa al di sotto dei 100 m s−1, cio`e quando le velocit`a delle reazioni chimiche diventano paragonabili a quelle di espansione: in queste condizioni, infatti, la parte centrale del kernel `e costituita da gas completamente ionizzato la cui energia si trova principalmente sotto forma di energia potenziale immagazzinata dalle particelle.

Considerando poi che radicali diversi presentano velocit`a di diffusione diverse, il gas non pu`o considerarsi in equilibrio: nella regione ad elevata temperatura i radi- cali presenti trasferiscono buona parte della propria energia potenziale al gas entro qualche collisione, mentre nella zona a bassa temperatura si registrano concentra- zioni di radicali superiori alle condizioni di equilibrio. A tutto questo si deve poi aggiungere il contributo dato dal trasferimento di calore per conduzione dal kernel: questo permette alle reazioni di avvenire a velocit`a superiori, liberando energia pi`u rapidamente.

Dopo circa 10µs dalla scintilla la temperatura del plasma ha raggiunto quella della fiamma, pertanto l’espansione del volume non `e pi`u dominato dal contributo termico di quest’ultimo. La comparsa poi di molecole come OH, CH, C2e CO indica

che la combustione sta procedendo per avanzamento della fiamma: questo `e un punto delicato per l’intero processo perch´e le reazioni nella zona di combustione devono essere sufficientemente sviluppate e veloci da autosostenersi e contrastare gli effetti delle perdite di calore per diffusione e conduzione con le pareti. I processi descritti per la fase iniziale di accensione non dipendono dal tipo di processo di scarica perch´e la scintilla `e sempre preceduta dal breakdown: tuttavia, a seconda delle caratteristiche del sistema di accensione e dalle propriet`a della miscela, l’energia liberata dal solo breakdown pu`o non esser sufficiente a rendere la fiamma autosostenuta. In questi casi la velocit`a di reazione iniziale tende a calare rapidamente a fronte dell’aumento delle perdite di calore: la zona di reazione tende allora a concentrasi lungo l’asse della scarica dove le temperature sono maggiori (specialmente nel caso del regime di arco elettrico). Questo `e visibile in figura 5.10: per miscele stechiometriche, l’energia fornita dal breakdown risulta essere sufficiente l’accensione, mentre il contributo in termini di temperatura da parte delle fasi di arc e glow `e molto limitato.

Figura 5.10: Evoluzione della temperatura per diversi regimi di scarica per una miscela stechiometrica di CH4-aria a 300 K. Tratto da [18].

Per miscele pi`u magre, le velocit`a di reazione tendono a ridursi tanto da richiedere un’energia maggiore all’accensione: l’energia fornita allora dal breakdown pu`o non essere sufficiente per sostenere la fiamma, pertanto le reazioni risultano ritardate fintanto che l’energia associata alla fase di arc (o glow) non diventa disponibile, incrementando le temperature.

Ricapitolando, l’energia di accensione viene trasferita dal plasma alla miscela di combustibile, da un lato, tramite le collisioni che avvengono tra i radicali e le molecole circostanti e, dall’altro, tramite diffusione e conduzione termica: entram- be contribuiscono pertanto a raggiungere una condizione di autosostenibilit`a delle reazioni. Ricordano poi che la propagazione della fiamma `e inversamente propor- zionale al proprio spessore, temperature maggiori all’accensione sono preferibili: i gradienti di temperatura normalmente associati alle fasi di arc e glow determinano fronti di fiamma pi`u spessi e caratterizzati da minori velocit`a. Da questo segue che una maggiore quantit`a di energia introdotta nella fase di breakdown determina una velocit`a maggiore della fiamma, pertanto la velocit`a di combustione risente anche del meccanismo di accensione (e non solo quindi delle propriet`a della miscela).

La caratteristiche della miscela sono poi fondamentali per la propagazione del fronte di fiamma, tanto che la presenza di disomogeneit`a nella miscela pu`o influire negativamente sullo sviluppo della combustione. Nell’ipotesi di rappresentare tale disuniformit`a mediante una serie di sfere di diametro diverso e distribuite statisti- camente, se il diametro del canale di plasma, prodotto all’accensione, risulta essere minore allora le propriet`a locali della miscela influenzano pesantemente il proces- so di espansione; al contrario l’effetto tende a scomparire se il volume inizialmente attivato risulta essere maggiore, come riportato in figura 5.11.

Figura 5.11: Influenza del grado di omogeneit`a della miscela al variare del regime di scarica. Tratto da [18].

essenziale nelle fasi di combustione, soprattutto alle pi`u alte velocit`a di rotazione. I vortici di maggiori dimensioni sono in grado di trasportare il volume di plasma e il fronte di fiamma all’interno della camera di combustione, permettendogli di raggiungere zone diverse: a questo effetto benefico si contrappone il rischio che la fiamma venga a contatto con le pareti, nel qual caso si registrerebbero perdite elevate di calore col rischio di spegnimento. La presenza di micro-vortici, invece, favorisce i fenomeni di trasporto di specie da una parte all’altra del fronte di fiamma: in questo modo le specie a maggiore energia si muovono verso le zone in cui le reazioni non sono ancora avvenute e viceversa, incrementando lo scambio di calore. Anche in questa situazione occorre osservare che livelli eccessivi di turbolenza localizzati nella zona di accensione possono portare ad un abbassamento delle temperature che, in casi estremi, pu`o portare allo spegnimento della fiamma stessa.