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Nelle simulazioni numeriche con codice di calcolo CFX-5.7 del combustore del turbogas GE MS5001 alimentato ad idrogeno, l’utilizzo di cinetiche semplificate ha portato ad una scarsa capacità predittiva nei confronti degli ossidi di azoto.
La discrepanza con i valori sperimentali si è rivelata significativa, in particolar modo per la simulazione con modello di combustione ED/FR e cinetica semplificata one-step.
Test numerici eseguiti in passato da Enel sullo stesso combustore alimentato con miscele contenenti idrogeno, hanno dimostrato che variazioni del campo termico e delle concentrazioni delle specie radicaliche possono portare a grandi variazioni degli NO , x calcolati secondo modelli che seguono i principali meccanismi riportati in letteratura. Diventa allora di fondamentale importanza avere un campo termico il più possibile preciso che si riesce ad avere solo con una cinetica chimica dettagliata, e pure una concentrazione delle specie radicaliche cella per cella precisa ottenibile con una cinetica che coinvolga le specie radicaliche.
Nella seconda parte dello studio termofluidodinamico del combustore, è stato allora proposto un diverso approccio nella modellazione della combustione dell’idrogeno utilizzando il codice di calcolo commerciale FLUENT 6.2 con l’utilizzo del modello di combustione Non-premixed combustion - Laminar Flamelet e con l’implementazione di un meccanismo cinetico dettagliato, disponibile su Database del codice, già impiegato per simulazioni numeriche su combustori turbogas.
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I test numerici sono stati effettuati su una griglia di calcolo 3D non strutturata, ottenuta con il software GAMBIT, nel lavoro di Enel finalizzato allo studio della combustione dell’idrogeno in macchine turbogas allo scopo di abbattere la produzione di ossidi di azoto.
La griglia, che riproduce sempre un quarto del combustore con conseguente vantaggio sul tempo computazionale, è completamente non strutturata a base di elementi tetraedrici a differenza di quella realizzata tramite ICEM-CFX, che risulta strutturata a blocchi per la parte terminale del convogliatore.
In Tabella 5.1 sono riportate le informazioni sulla griglia utilizzata per la simulazione su codice FLUENT 6.2.
Tabella 5.1: Informazioni sulla griglia non strutturata realizzata tramite software GAMBIT Il modello matematico è lo stesso. Il dominio di calcolo è quindi soggetto alle stesse condizioni al contorno imposte nelle simulazioni effettuate con il codice di calcolo CFX-5.7 (Capitolo 3 – Tabella 3.2).
Una volta definita la materia di interesse selezionando le specie (coinvolte nel meccanismo cinetico) ed i metodi di calcolo delle proprietà della miscela reagente, sono stati selezionati i modelli (poroso, di turbolenza, di combustione, spettrale) e i parametri atti a definire in modo esauriente tutte le caratteristiche del problema termofluidodinamico, già adottati per le precedenti simulazioni.
E’ cambiato l’approccio per quanto riguarda il modello di radiazione, utilizzato per approssimare la dipendenza direzionale della RTE. Nella modellazione del flusso di calore radiante è stato utilizzato il modello di radiazione DO (Discrete Ordinates), che permette di risolvere l’equazione RTE con la discretizzazione del dominio in un numero finito di angoli solidi.
Tale modello, non implementato nel codice di calcolo CFX-5.7, è stato scelto per aver destato interesse per un ampio range di spessori ottici, e per un costo computazionale moderato data la discretizzazione angolare fatta. Ha consentito l’utilizzo del modello spettrale Gray per valutare le proprietà radiative all’interno del dominio, che assume costanti le proprietà attraverso l’intero spettro.
Per la modellazione del trasporto delle specie e dei flussi reattivi, è stato utilizzato uno dei cinque modelli implementati nel codice FLUENT 6.2 per flussi reattivi fase gas, il Non-Premixed Combustion che risulta efficiente a livello computazionale dato che non vengono
risolte le equazioni di trasporto per le specie presenti nel sistema, con sub-modello Laminar Flamelet.
I modelli utilizzati per effettuare la simulazione sono riassunti in Tabella 5.2.
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Tabella 5.2: Modelli utilizzati nella simulazione con meccanismo cinetico Chemkin
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In genere il codice FLUENT 6.2 modella miscelamento e trasporto di specie chimiche risolvendo le equazioni di conservazione, contenenti i termini convettivo, diffusivo e di sorgente, per ogni singola specie contenuta all’interno del sistema, predicendone così la frazione massica locale. Considerando il sistema studiato vicino all’equilibrio chimico con fiamma diffusiva turbolenta e avendo combustibile e ossidante entranti nel dominio come correnti distinte, è stato utilizzato per modellare il termine velocità di reazione il modello di combustione Non-Premixed Combustion. Sotto certe assunzioni, proprie del modello, lo stato termochimico istantaneo è relazionabile ad una quantità scalare conservativa, la frazione di miscela (Capitolo 1 – Paragrafo 1.7.4). Vengono così risolte due equazioni, per la frazione di miscela e la varianza della frazione di miscela (utilizzata per chiudere il problema nella modellazione dell’interazione chimica-turbolenza).
I campi di temperatura e le concentrazioni delle componenti coinvolte sono derivate quindi dalla distribuzione predetta di questa quantità scalare.
Come sub-modello di combustione è stato adottato il Laminar Flamelet Model, comunemente utilizzato nel caso di fast chemistry (Capitolo 1 – Paragrafo 1.7.4).
Per la generazione del file Flamelet (la riduzione di una chimica complessa a due variabili, frazione di miscela e tasso di dissipazione scalare) è stato necessario disporre del meccanismo cinetico e dei dati termodinamici, importabili in formato Chemkin.
Il codice FLUENT 6.2 fa una stima delle specie radicaliche (che assumono un ruolo determinante nella predizione degli ossidi di azoto) in termini di concentrazione per ogni cella di calcolo basandosi sul campo termico, quando non sono presenti nella cinetica chimica considerata. Nello studio in questione è stato invece utilizzato un meccanismo cinetico dettagliato Chemkin per la combustione dell’idrogeno con trentasette reazioni reversibili comprendente radicali, e formazione degli ossidi di azoto (Allegato B). Le reazioni inverse permettono di considerare le reazioni di dissociazione endotermiche che diventano importanti alle alte temperature che si raggiungono nella combustione dell’idrogeno. Tuttavia, il modello di combustione scelto non risulta adeguato per il calcolo del tasso di formazione degli ossidi di azoto caratterizzati da slow chemistry. Proprio per questo, considerando che la chimica degli NO ha un’influenza trascurabile sul campo di x
flusso, temperatura e sulla concentrazione dei prodotti di combustione, è stato utilizzato il modello Thermal-NO (meccanismo Zeldovich) nel modo più efficiente, cioè come un x post-processor ai principali calcoli di combustione.
Le concentrazioni dei radicali presenti secondo tale modello possono essere determinate dal codice mediante tre metodi:
- Equilibrio, selezionando equilibrium per [O . Dato che in fiamma il tasso di ] formazione degli ossidi di azoto è basso rispetto a quello di ossidazione degli idrocarburi, si presuppone che gli NO siano formati quando la combustione è quasi completata. Il x
tasso è calcolato allora assumendo l’equilibrio per le reazioni di combustione.
- Equilibrio parziale, selezionando partial-equilibrium per ][O o per [OH . ]
- Concentrazione predetta di ][O e/o [OH , selezionando instantaneous per ] [O e/o per ] ]
[OH .
Sussiste tuttavia la possibilità di escludere dal computo la concentrazione di OH , specie presente nell’estensione del meccanismo di Zeldovich (vedi Capitolo 3 – terza reazione 3.19) per miscele fuel-rich.
Nella simulazione del combustore è stato scelto il terzo ed ultimo metodo, facendo in modo di inizializzare il problema con una concentrazione delle specie O e OH precedentemente predetta usando il modello di chimica avanzata a trentasette reazioni. Inoltre, i processi di miscelamento turbolento sono caratterizzati da fluttuazioni temporali di temperatura e concentrazione delle specie chimiche coinvolte nel dominio studiato. Come già detto, la relazione che lega il tasso di formazione degli NOx, temperatura e concentrazione delle specie si rivela fortemente non lineare. Come nelle simulazioni effettuate con codice CFX-5.7 l’approccio utilizzato per considerare le fluttuazioni di temperatura, di composizione, o entrambe (solo temperatura per lo studio in questione) è quello di considerare la Probability Density Functions (PDF) (Capitolo 3 – Paragrafo 3.4.4.1).
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Sono riportati i risultati delle simulazioni numeriche condotte sul combustore del turbogas GE MS5001 alimentato ad idrogeno, ottenuti adottando il modello di combustione Non-premixed combustion – Laminar Flamelet e meccanismo cinetico Chemkin a trentasette reazioni reversibili. I risultati forniti dal codice FLUENT 6.2 per le diverse variabili di interesse studiate nel dominio, sono mostrati in termini di temperatura, di concentrazione delle specie chimiche e livello emissioni ossidi di azoto (Thermal-NOx).
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In Figura 5.1 è mostrato il campo di temperatura nella simulazione ad idrogeno in una sezione meridiana del combustore, ottenuto tramite mappatura colorata di un piano per la variabile Temperature.
Il campo termico è variato in modo non sostanziale, se confrontato con il profilo ottenuto dalla simulazione con idrogeno one-step eseguita da Enel con codice FLUENT 6.2 (Capitolo 4 – Figura 4.9), con una diminuzione della temperatura locale massima di 50 K e con un leggero allungamento della fiamma, indice di una cinetica leggermente più lenta.
Figura 5.1: Campo di temperatura ottenuto con il modello Laminar Flamelet
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L’analisi numerica con l’utilizzo del modello Flamelet con PDF evidenzia il valore delle frazioni massiche delle specie chimiche, comprendendo le specie radicaliche considerate di fondamentale importanza per la formazione degli ossidi di azoto secondo il meccanismo utilizzato dal codice. Nelle Figura 5.2 - Figura 5.14 sono mostrati i campi delle concentrazioni delle specie coinvolte nel meccanismo cinetico Chemkin considerato,
, , , , , , , , , , , , , 2 2 2 2 2 2 2 2 O H O H O OH HO H O N N NO N O HNO
H tramite mappatura colorata di
un piano meridiano del modello del combustore per la variabile Mass Fraction.
Figura 5.3: Frazione massica O2
Figura 5.4: Frazione massica H2O
Figura 5.6: Frazione massica O
Figura 5.7: Frazione massica OH
Figura 5.9: Frazione massica H2O2
Figura 5.10: Frazione massica N2
Figura 5.12: Frazione massica NO
Figura 5.13: Frazione massica N2O
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I valori delle emissioni per la simulazione effettuata con il codice di calcolo FLUENT 6.2 hanno ora una corrispondenza più forte con il dato sperimentale. Il confronto delle emissioni per le specie chimiche principali è mostrato in Tabella 5.3.
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Tabella 5.3: Confronto delle emissioni per la simulazione con meccanismo cinetico Chemkin L’incongruenza sul valore degli ossidi di azoto predetto si riduce al 33% utilizzando il modello Laminar Flamelet, impiegato anche con il codice CFX-5.7 per la libreria disponibile, e lo schema cinetico a trentasette reazioni reversibili già adottato in simulazioni su combustori tradizionali alimentati ad idrogeno.
Come nella simulazione realizzata in passato da Enel su codice FLUENT 6.2 con modello di combustione Eddy Dissipation/Finite Rate Chemistry e cinetica dell’idrogeno one-step, è stata determinata una sovrastima sul valore degli ossidi di azoto rispetto al dato sperimentale.
