Capitolo 4 - Analisi dei risultati
4.1 Generazione della rete di reattori
I parametri di input (Tab. 4. 1) utilizzati per il clustering iniziale dei campi di stechiometria e temperatura sono mantenuti costanti per tutte le simulazioni effettuate, in maniera da poter valutare l’effetto della variazione del numero dei reattori sui risultati prodotti dal calcolo cinetico dettagliato. T ∆ 25 oC λ ∆ 0.15 Parametri di input SRfeed 2.13
Tab. 4. 1 – Parametri di input
Le prove effettuate utilizzano rispettivamente 200, 500 e 1000 unità per ricercare un crescente dettaglio nella definizione dei campi CFD.
L’efficacia della procedura di classificazione può essere visualizzata esplicitamente tramite dei diagrammi di stechiometria-temperatura e di distribuzione del numero dei reattori lungo la direzione assiale del sistema.
Come mostrato, nelle figure riportate di seguito, l’aumento del numero dei reattori, descrive in maniera sempre più regolare i campi di stechiometria e temperatura, ma nonostante l’approssimazione migliori progressivamente, si conservano comunque zone del dominio che non riescono ad essere dettagliate con sufficiente precisione.
Capitolo 4 – Analisi dei risultati
La regione identificata da temperature comprese nell’intervallo K
750
350÷ e da stechiometrie nel range 0.1÷0.4 è quella meno particolareggiata; tale settore corrisponde, presumibilmente a frazioni della corrente di alimentazione che seguono una traiettoria indipendente da quella del flusso principale della combustione e che dalla sezione di ingresso fuoriescono direttamente dal sistema senza bruciare completamente.
Rete di 200 reattori:
Fig. 4. 2 – Distribuzione dei reattori lungo la direzione assiale del sistema
Capitolo 4 – Analisi dei risultati
Fig. 4. 4 – Distribuzione assiale della stechiometria
Rete di 500 reattori:
Fig. 4. 6 - Distribuzione dei reattori lungo la direzione assiale del sistema
Capitolo 4 – Analisi dei risultati
Fig. 4. 8 – Distribuzione assiale della stechiometria
Rete di 1000 reattori:
Fig. 4. 10 - Distribuzione dei reattori lungo la direzione assiale del sistema
Capitolo 4 – Analisi dei risultati
4.2 Risultati del calcolo cinetico dettagliato
L’aspetto di principale rilievo nell’analisi di un combustore turbogas, alimentato a metano, riguarda lo studio delle emissioni delle specie CO e NO che per i casi simulati hanno mostrato un andamento del tipo riportato in Fig. 4. 13.
Fig. 4. 13 – Andamento delle emissioni secondo il calcolo cinetico dettagliato
I diagrammi che riporto di seguito fanno riferimento ad una sezione longitudinale, passante per j=1, della camera di combustione.
Confrontando le mappe di temperatura generate dai campi CFD di Kien (Fig. 4. 14) con quelle dell’RNA (Fig. 4. 16, Fig. 4. 20) si verifica che esiste una frazione della corrente di alimentazione ( ariapilota
4+
Capitolo 4 – Analisi dei risultati
Analogo discorso può farsi in riferimento alla concentrazione di 2 O ; per l’RNA l’andamento generale della corrente alimentata vicino all’asse, è quello di tendere direttamente verso la sezione di uscita fumi senza interessare tutto il volume della camera di combustione (Fig. 4. 17, Fig. 4. 19, Fig. 4. 21) come invece accade per KIEN (Fig. 4. 15).
Capitolo 4 – Analisi dei risultati
Fig. 4. 17 – Mappa di concentrazione di O2 (sez. j=1), rete di 200 reattori
Capitolo 4 – Analisi dei risultati
Fig. 4. 21 – Mappa di concentrazione di O2 (sez. j=1), rete di 1000 reattori
Per la simulazione effettuata con una rete di 1000 reattori, riporto di seguito, le distribuzioni delle frazioni di massa, delle specie di maggiore interesse, lungo l’asse della camera di combustione.
Concentrazione nei fumi in uscita secondo RNA
Specie CH 4 CO H 2 CO 2 H2O O 2 Frazione in massa (ppm) ≈1.5 ≈45.5 0.86 4 10 38 . 7 ⋅ 4 10 26 . 7 ⋅ 4 10 54 . 11 ⋅
Tab. 4. 2 – Concentrazione delle specie principali nei fumi di uscita
La specie combustibile CH , come mostrato in Fig. 4. 22, secondo la 4 base dati CFD si ossida completamente, mentre, per l’analisi RNA pur non bruciando totalmente la concentrazione media della specie nella sezione di uscita fumi a k =27 è pressoché nulla (≅1.5ppm) e ciò è
imputabile presumibilmente ad una frazione della corrente di alimentazione che by-passa la zona di miscelamento con l’aria comburente e non reagisce.
Le specie CO e H (Fig. 4. 23, Fig. 4. 24) presentano un 2 comportamento analogo e mostrano che all’interno della camera si creano due flussi distinti; il primo che segue approssimativamente l’andamento definito da KIEN, mentre il secondo che tende a concentrazioni nulle indicativo dell’ossidazione a H O
2 e CO . 2
Nelle Fig. 4. 25, Fig. 4. 26, Fig. 4. 27 è evidente che nella sezione di uscita la concentrazione della specie valutata dall’RNA coincide con quella prevista dal KIEN e si può notare che nella zona terminale della camera di combustione, si ha uno split delle correnti rispetto alla frazione media della specie nei fumi.
Capitolo 4 – Analisi dei risultati
Fig. 4. 23 - Distribuzione assiale della specie CO lungo l’asse del sistema
Capitolo 4 – Analisi dei risultati
4.3 Tempi di calcolo
Per concludere, riporto una tabella riepilogativa dei tempi di calcolo necessari per l’esecuzione del meccanismo cinetico dettagliato.
Il PC utilizzato ha le seguenti caratteristiche:
Pentium ΙΙΙ - 800 MHz CPU - 512 MB RAM
Numero di reattori 200 500 1000 DETAILED REACTION CHEMISTRY
TIME CALCULATION (200 loop) ≅10hr ≅27 ≅47hr
Tab. 4. 3 – Tempi di calcolo
