L’approccio per la validazione dei modelli è stato lo stesso in entrambi i casi, nonostante le forti diversità tra i due bruciatori.

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Conclusioni

Scopo del presente lavoro di tesi è stato quello di sviluppare modelli numerici realizzati con codici di calcolo di Fluidodinamica Computazionale di bruciatori eserciti in condizioni senza fiamma, e validarli tramite confronto delle predizioni con dati sperimentalmente di letteratura, al fine di incidare l’approccio modellistico più adeguato.

In particolare sono stati esaminati 2 bruciatori di letteratura operanti in modo completamente diverso: il primo è un Jet in a Hot Coflow messo a punto per emulare le condizioni tipiche del regime senza fiamma, il secondo è una fornace in scala di laboratorio (5,4 kW), nella quale si opera effettivamente in regime senza fiamma, tramite ricircolo interno dei gas esausti.

L’approccio per la validazione dei modelli è stato lo stesso in entrambi i casi, nonostante le forti diversità tra i due bruciatori.

Per il bruciatore JHC il miglior accordo con i dati sperimentali si ottiene utilizzando per la turbolenza il modello k-ε modificato per getti, per l’interazione cinetica-turbolenza il modello Eddy Dissipation Concept (EDC), che non considera le reazioni chimiche infinitamente veloci. In più è stato necessario ricorrere a schemi dettagliati di ossidazione, poiché quando si utilizza uno schema globale i profili predetti numericamente si discostano notevolmente dai dati sperimentali. Inoltre si è visto come, in particolare per la predizione delle frazioni massiche delle specie chimiche, sia importante tenere conto della diffusione molecolare, aggiungendo al modello numerico la Differential Diffusion.

Il modello numerico di tale bruciatore ha comunque mostrato delle differenze rispetto ai dati sperimentali, soprattutto nelle zone di miscelamento tra i getti di combustibile/coflow e coflow/aria di tunnel Una possibile causa di tali differenze può attribuirsi al fatto che il coflow venga viziato in prossimità dell’ugello e che quindi all’ingresso del bruciatore le condizioni non siano perfettamente omogenee, come assunto nel modello computazionale.

Per tener conto di ciò sono state effettuate prove variando il livello di turbolenza in ingresso, dato comunque non noto, sia nel coflow che nell’aria di tunnel.

Tale approccio ha fornito risultati in ottimo accordo con i dati sperimentali.

Anche per quanto riguarda la fornace da 5,4 kW è stato necessario utilizzare un modello di interazione cinetica-turbolenza che non consideri le reazioni chimiche infinitamente veloci, e cioè il modello EDC, con uno schema cinetico di ossidazione dettagliato.

Il punto chiave del modello numerico di tale fornace si è rivelato essere la scelta del modello

di turbolenza. Nessuno dei modelli testati (k-ε standard e k-ε modificato) fornisce risultati in

perfetto accordo con i dati sperimentali. Il profilo di temperatura viene predetto in modo

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abbastanza accurato con il modello k-ε modificato; tuttavia il campo di moto denota differenze tra predizioni e misure in alcune regioni non trascurabili.

Pertanto potrebbe essere utile valutare altri modelli di turbolenza, come ad esempio il Reynolds Stress Model. Quest’ultimo è un modello a 6 equazioni che non si basa sull’ipotesi di isotropia della turbolenza, è che quindi può risultare più accurato rispetto ai modelli k-ε per il caso in esame.

Per la fornace da 5,4 kW è stata inoltre valutata l’emissione di NO

. Oltre al meccanismo termico sono stati utilizzati il meccanismo Prompt e il meccanismo via N

O.

Il dato di produzione globale degli NO

risulta in perfetto accordo con il dato sperimentale (8.4 ppm a fronte di 10 ppm misurati sperimentalmente); inoltre si è visto che il meccanismo via N

O è responsabile della produzione di più dell’80% degli NO

totali.

Una volta determinati quali siano i submodels maggiormente adatti alla descrizione del fenomeno, per approfondire la conoscenza delle interazioni cinetica-turbolenza, è stata proposta la valutazione del numero di Damköhler per entrambi i sistemi.

Tale parametro rappresenta il rapporto tra la scala temporale dei fenomeni di miscelamento e quella dei fenomeni chimici. Il problema è che tale parametro generalmente è calcolato in base a meccanismi cinetici globali, ma per la combustione senza fiamma tali meccanismi non sono adatti, i coefficienti cinetici essendo stati sviluppati per condizioni di fiamma convenzionale.

Nel presente lavoro il numero di Damköhler è stato calcolato sulla base di meccanismi cinetici dettagliati, e quindi è stata proposta una procedura particolare per il suo calcolo, basata sulla definizione di una matrice Jacobiana, contenente i tassi di reazione della specie i-sima rispetto alla variazione della specie j-sima Un’analisi preliminare è stata necessaria al fine di individuare le specie caratterizzanti il sistema da utilizzare nella definizione della matrice Jacobiana.

Per quanto riguarda il Jet in a Hot Coflow tale parametro risulta essere prossimo a uno,

indicando un forte accoppiamento tra il miscelamento turbolento e le reazioni chimiche. Per

quanto riguarda la fornace si ottengono valori ancora più bassi ad indicare un sistema ancor

più in condizioni senza fiamma.