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In questo Capitolo sono riportati i risultati delle simulazioni numeriche condotte sul combustore del turbogas GE MS5001 (vedi Capitolo 2).
I risultati forniti dal codice CFX-5.7 sono stati confrontati sia con i dati sperimentali che con quelli ottenuti dall’analisi numerica eseguita con codice FLUENT 6.2 da Enel, per diverse variabili studiate nel dominio di interesse tramite: ripartizione flussi aria e vettori velocità (con particolare riguardo alle zone di passaggio aria per il tubo di fiamma) nell’analisi a freddo, campi di temperatura, di concentrazione delle specie chimiche e livello emissioni ossidi di azoto nell’analisi a caldo.
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La prova a freddo, è stata effettuata sia per determinare la distribuzione dei flussi d’aria all’interno del tubo di fiamma, sia per provare un certo accordo tra i risultati visualizzati sul post-processor, e quelli ottenuti con il codice FLUENT 6.2, utilizzato in una precedente fase di studio da Enel per tarare i parametri del modello poroso. Nello studio del combustore tramite codice CFX-5.7, sono impiegati gli stessi coefficienti di resistenza inerziale per i sottodomini porosi inseriti dall’utente nella simulazione a freddo eseguita con FLUENT 6.2, attuata proprio al fine di tarare il modello sopra citato sulla base del campo di moto rilevato sperimentalmente. I valori utilizzati per le due zone modellate come porose, determinano una distribuzione dei flussi d’aria come mostrato in Tabella 4.1. Da notare che in Tabella 4.1, è riportata la sigla dei flussi penetranti all’interno del tubo di fiamma, indicata nel disegno fornito da Enel (Capitolo 2 – Figura 2.5).
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Tabella 4.1: Flussi derivanti dalla campagna sperimentale e dalle simulazioni a freddo
Alcuni dei flussi, come iniezione di gasolio (F1) e aria di atomizzazione (F2), presenti per il sistema di iniezione bi-combustibile, non sono considerati nello studio, dato che l’interesse è posto sul combustibile gassoso idrogeno puro. Inoltre, l’aria di trafilamento, dovuta al prolungamento della camicia sul cappello (F7) e all’inserimento del convogliatore sulla camicia (F12), non è presa in considerazione nella modellazione del combustore, poichè ritenuto ininfluente il suo contributo sul campo di moto.
In Figura 4.1, si riportano i vettori velocità su di un piano meridiano del combustore studiato, ottenuti dalla risoluzione numerica utilizzando come modello di turbolenza il
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k standard.
In Figura 4.2 e in Figura 4.3, si riportano i vettori velocità nella zona dell’iniettore e dei fori primari e secondari, ottenuti rispettivamente con codice CFX-5.7 e con codice FLUENT 6.2.
Figura 4.2: Vettori velocità nella zona dell’iniettore e dei fori primari e secondari (CFX)
Figura 4.3: Vettori velocità nella zona dell’iniettore e dei fori primari e secondari (FLUENT), rapporto tecnico 2005
In Figura 4.4 e in Figura 4.5 sono mostrati invece, i vettori velocità su di un piano trasversale, all’altezza degli otto fori primari, rispettivamente visualizzati nella fase di post-processor sui due codici, CFX-5.7 e FLUENT 6.2.
Figura 4.4: Vettori velocità, su un piano velocità trasversale, all’altezza dei fori primari (CFX)
Figura 4.5: Vettori velocità, su un piano velocità trasversale, all’altezza dei fori primari (FLUENT), rapporto tecnico 2005
In Figura 4.6 e in Figura 4.7, il confronto è fatto su di un piano trasversale, all’altezza dei quattro fori di diluizione.
Figura 4.6: Vettori velocità, su un piano velocità trasversale, all’altezza dei fori di diluizione (CFX)
Figura 4.7: Vettori velocità, su un piano velocità trasversale, all’altezza dei fori di diluizione (FLUENT), rapporto tecnico 2005
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Una volta calibrato lo strumento di simulazione, attraverso un’opportuna scelta dei modelli implementati nel codice CFX-5.7, è stato effettuato lo studio del combustore acceso alimentato ad idrogeno.
I modelli di turbolenza e porosità selezionati, sono quelli già adottati per determinare il campo di moto predetto nella prova a freddo.
L’attivazione della risoluzione dell’equazione dell’energia ha però richiesto la scelta dei modelli di combustione, di radiazione e spettrale, oltre a definire una cinetica chimica per le specie coinvolte all’interno del dominio studiato.
La bontà delle simulazioni numeriche con combustore acceso, è valutata in base ai dati forniti dalle prove sperimentali sulle emissioni e sulle specie chimiche principali all’uscita del combustore.
Come per la prova a freddo, è stato proposto un confronto con i risultati ottenuti dalle simulazioni eseguite con codice FLUENT 6.2, con particolare interesse al campo di temperatura e al livello di emissioni.
E’ mostrato inoltre il campo delle specie chimiche, per il modello di combustione che ha fornito la miglior predizione sul valore degli ossidi di azoto, il modello Flamelet con PDF. Particolare attenzione è posta proprio sul valore di tali inquinanti, potenzialmente reso noto sul post-processor, per ognuna delle parti definite in ambiente ICEM-CFX.
Sono riportati infine il campo di temperatura e il valore delle specie chimiche in uscita, ottenuti dall’analisi numerica di Enel sulla medesima configurazione geometrica del combustore alimentato però a metano per verificare le differenze tra i due diversi tipi di fiamma, adottando parametri per avere lo stesso carico termico, gli stessi modelli della simulazione a idrogeno con modello di combustione combinato e una cinetica a due step per avere una valutazione sulle emissioni di monossido di carbonio.
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In Figura 4.8, è mostrato il campo di temperatura nella simulazione a idrogeno seguendo la cinetica semplificata one-step con modello di combustione Eddy Dissipation/Finite Rate Chemistry proposto anche da Enel (Figura 4.10), in una sezione meridiana del modello.
Figura 4.8: Campo di temperatura ottenuto con modello ED/FR (CFX)
In Figura 4.9, è invece mostrato quello che si ottiene utilizzando stesso modello di turbolenza, radiazione, spettrale, ma diverso modello di combustione. Per ottenere tale campo, variato con un aumento della temperatura locale massima di 14 K, è stato infatti utilizzato il modello Flamelet con PDF considerando la fiamma di tipo diffusivo per la configurazione del combustore studiato.
Figura 4.9: Campo di temperatura ottenuto con modello Flamelet (CFX)
In Figura 4.11 (rapporto tecnico Enel) è riportato il campo ottenuto per la variabile Temperature nella simulazione del combustore alimentato a metano.
Osservando i profili di temperatura, si osserva una diminuzione della temperatura massima rispetto al caso di funzionamento con idrogeno ed anche un maggior allungamento della fiamma stessa.
Questi fenomeni sono in accordo con le previsioni fatte, e riflettono gli effetti della maggior velocità della cinetica di combustione dell’idrogeno.
Figura 4.10: Campo di temperatura ottenuto con modello ED/FR (FLUENT), rapporto tecnico 2005
Figura 4.11: Campo di temperatura nella simulazione a metano con modello ED/FR (FLUENT), rapporto tecnico 2005
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E’ stata effettuata un’analisi più approfondita per la fiamma a idrogeno, permessa dall’utilizzo del modello di combustione Flamelet con PDF, avendo come tipo di alimentazione combustibile puro ed ossidante puro. Tale analisi evidenzia non solo il valore delle frazioni massiche di alcune specie chimiche ma anche dei radicali, considerati
di fondamentale importanza per la formazione degli ossidi di azoto secondo i meccanismi di formazione seguiti dai comuni codici di calcolo. Si ricorda che l’utilizzo della Flamelet con PDF è possibile solo per il tipo di fiamma studiato con il codice CFX-5.7, in quanto non sono disponibili librerie per miscele di combustibili, per la licenza accademica del software. Nelle figure che seguono (Figura 4.12 - Figura 4.20) sono riportati i campi della concentrazione per le specie chimiche coinvolte all’interno del dominio combustore studiato N2,H2,O2,H2O,H,O,OH,HO2,H2O2, ottenuti tramite mappatura colorata di un
piano meridiano del modello del combustore per la variabile Mass Fraction. In Figura 4.21
è mostrato invece, il campo della frazione massica degli ossidi di azoto formati secondo il meccanismo termico.
Figura 4.12: Frazione massica N2
Figura 4.15: Frazione massica H2O
Figura 4.16: Frazione massica H
Figura 4.17: Frazione massica O
Figura 4.19: Frazione massica HO2
Figura 4.20: Frazione massica H2O2
Figura 4.21: Frazione massica NO
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Il confronto delle emissioni è mostrato in Tabella 4.2. I valori delle specie chimiche all’uscita del combustore oggetto di studio sono calcolati in ambito sperimentale in base a considerazioni stechiometriche.
Viene dimostrata una incongruenza sul valore degli NOx predetti del 140 % e del 75 %, rispettivamente per il codice FLUENT 6.2 e per il codice CFX-5.7, seguendo la cinetica
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Tabella 4.2: Confronto delle emissioni per le simulazioni con idrogeno
Queste discrepanze sono attribuibili ad una carenza di dettaglio nel simulare la reazione, dovuta proprio all’uso della cinetica semplificata one-step. Nelle prove numeriche effettuate con tale meccanismo cinetico, è stato utilizzato un modello di combustione combinato Eddy Dissipation/Finite Rate Chemistry, che come già detto calcola per ogni cella, date le concentrazioni delle specie e le condizioni termodinamiche, tre valori del tasso di reazione (con formula di Arrhenius, e con le formule del modello Eddy Dissipation) e prende il più basso dei tre.
Si noti invece che utilizzando il Flamelet Model per la combustione di idrogeno puro, la differenza sugli NOx predetti si riduce al 55 %, nonostante sia basato sull’ipotesi di fast chemistry.
In Tabella 4.3 è riportato invece il confronto tra i valori simulati e quelli sperimentali e teorici delle emissioni e delle specie in uscita dal combustore alimentato a metano (rapporto tecnico Enel, settembre 2005).
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Tabella 4.3: Confronto delle emissioni per la simulazione con metano
Il confronto mostra un buon accordo non solo per i valori delle specie chimiche principali ma anche per il monossido di carbonio e gli ossidi di azoto.
Da notare la differenza degli NOx sviluppati in fiamma, per lo stesso combustore, nella stessa configurazione di carico.
