4
Descrizione dei test case.
Per verificare l’attendibilità dei risultati ottenuti dalle simulazioni effettuate utilizzando il codice di calcolo CFX 5.7 precedentemente descritto e la correttezza dell’implementazione del modello EDC, sono stati effettuati dei confronti con fiamme caratterizzate sperimentalmente . In particolari sono stati considerati :
Un bruciatore bluff-body alimentato con una miscela CH4-H2 caratterizzato
sperimentalmente sia presso i laboratori della Sidney University che presso il Sandia National Laboratories.
Una fiamma diffusiva non confinata alimentata con H2-He e caratterizzata
sperimentalmente sia presso l’Institute of Energy Technology di Zurigo (ETH) che presso Sandia National Laboratories.
I dati sperimentali utilizzati per questo lavoro sono di pubblico accesso, per la fiamma diffusiva H2
-He nel seguente indirizzo internet http://www.ca.sandia.gov/TNF , per il bruciatore bluff-body (fiamma CH4-H2 ) all’indirizzo internet http://www.aeromech.usyd.edu.au/thermofluids .
Le fiamme considerate costituiscono un valido banco di prova per la validazione del codice di calcolo. Infatti oltre a presentare caratteristiche comuni ai sistemi di combustione industriali, sono contraddistinte da complesse interazioni tra chimica e turbolenza.
4.1
Fiamma bluff-body a CH
4-H
2La fiamma, non confinata è generata dalla combustione di una miscela di gas naturale ed idrogeno con 89%wt di CH4 e 11%wt di H2.
Il bruciatore è costituito da un cilindro di materiale ceramico (bluff-body) di diametro, Db, pari a 50 mm, al cui interno è inserita una lancia per l’iniezione del combustibile di diametro, Dj, pari a 3.6 mm.
L’aria fluisce attraverso un condotto di sezione quadrata (wind tunnel) la cui sezione laterale ha lunghezza pari a 150 mm per l’impianto della Sidney University ed a 305 mm per quello del Sandia National Laboratories.
Il wind tunnel avvolge il getto di combustibile (co-flow).
La rappresentazione schematica della geometria del bruciatore per l’impianto di Sidney è riportato in Figura 4.1.
base della fiamma, di prodotti di combustione caldi che forniscono una sorgente di ignizione costante (Figura 4.2).
Figura 4.2- Zona di ricircolazione a valle del bluff-body. (RIFERIMENTO )
La fiamma ottenuta sperimentalmente nel bruciatore è riportata in Figura 4.3 da cui si capisce che essa è caratterizzata da tre zone distinte:
Zona di ricircolo (recirculation zone), generata dalla presenza del bluff-body, che crea una zona di attacco per la fiamma;
Zona di estinzione della fiamma (neck zone), posta a valle della zona di ricircolo, nella quale il sistema è miscelato adeguatamente e risulta controllante la chimica delle reazioni di ossidazione;
Zona di re-ignizione della miscela (jet-like propagation zone), nella quale si completa la combustione.
Figura 4.3- Fiamma nel bruciatore bluff-body -Immagine (a) e struttura (b).
L’analisi sperimentale condotta nei due laboratori con tecniche ottiche non intrusive ha fornito misure di temperatura e concentrazione delle specie chimiche (Sandia National Laboratories) e
Lo schema dell’apparato sperimentale impiegato per l’analisi della fiamma non confinata è riportato In Figura 4.4.
4.2
Fiamma a H
2La fiamma è stata caratterizzata sperimentalmente presso l’ETH di Zurigo ed il Sandia National Laboratories è di tipo non confinato. La fiamma è ottenuta dalla combustione di una miscela di H2
-He: prove sperimentali sono state effettuate utilizzando varie concentrazioni di elio, in particolare 0%wt, 20%wt e 40%wt.
Nel presente lavoro si è fatto riferimento ai dati ottenuti per la fiamma generata da una miscela con tenore di elio nullo, cioè si è considerato una fiamma ad idrogeno.
Le misure di temperatura e delle concentrazioni delle specie chimiche per il caso studiato sono state ottenute con tecniche di Laser-Induced Fluorescenze (LIF), Spontaneous Raman Scattering e Rayleigh Scattering presso il Sandia National Laboratories.
Mentre quelle di velocità sono state ottenute utilizzando il Laser Doppler Velocimetry (LDV) presso l’ETH di Zurigo.
4.2.1
Misure di temperatura e delle concentrazioni delle specie chimiche
Tali misure sono state effettuate presso il Sandia National Laboratories da Barlow and Carter (1994). Il bruciatore è formato da un tubo diritto di diametro interno,d, pari a 3.75 mm,diametro esterno, D, 4.84 mm, posizionato centralmente sull’uscita di una contrazione verticale di un condotto di sezione quadrata (30 cm per 30 cm) nel quale fluisce l’aria di coflow (wind tunnel) come illustrato nella Figura 4.5:
(a) (b)
Figura 4.5 – Immagine del wind tunnel (a) Schema modalità di inserimento dei reagenti.
Le condizioni del flusso reagente in ingresso, le caratteristiche della fiamma e le diverse posizioni assiali alle quali sono state effettuate le misure sono illustrate nella Tabella 4.1:
H2:He (vol) u (m/s) Re Lvis/d x/Lvis Lstoic (mm)
100:0 296 10000 180 1/8, 1/4, 3/8,
1/2, 5/8, 3/4, 1 475
Dove Lvis è la lunghezza della fiamma visibile, x è la distanza alla quale sono state effettuate le misure, d è il diametro interno del bruciatore e Lstoic è la lunghezza della fiamma basata sull’interpolazione dei valori delle frazioni di miscela secondo la media di Favre lungo la linea centrale del getto della fiamma.
Il numero di Reynolds (Re) della tabella è stato calcolato facendo uso dei dati di viscosità ottenuti dal software chimico Chemkin nelle condizioni presenti nell’ugello d’ingresso.
La velocità dell’aria di coflow è di 1 m/s (± 0.06m/s) e la fiamma risulta essere attaccata e non confinata (Figura 4.6).
Figura 4.6 – Immagine della fiamma non confinata H2/He.
L’intensità della turbolenza non è stata misurata in queste condizioni di bassa velocità dell’aria, tuttavia l’osservazione di fiamme laminari nella struttura suggerisce che la turbolenza del flusso del coflow risulta ininfluente per i risultati inerenti questa fiamma turbolenta.
Alla velocità media di 40 m/s per un flusso libero è stata misurata un’intensità di turbolenza pari al 2%.
4.2.2
Misure di velocità
Tali misure sono state effettuate presso l’ETH di Zurigo. Il bruciatore è simile a quello esaminato da Barlow e Carter (1994) presso i Sandia National Laboratories e descritta in precedenza.
Le principali differenze tra le due metodologie sperimentali utilizzate riguardano la geometria del wind tunnel che, nei Sandia National Laboratories, presenta una base quadrata di 30 cm di lato, mentre quello utilizzato dall’ETH presenta una base esagonale di diametro 60 cm e lunghezza di 2 m con due delle sei pareti del wind tunnel realizzate in vetro al fine di consentire l’accesso ottico agli strumenti di misura.
L’apparecchiatura sperimentale dell’ETH è divisa in una sezione orizzontale di preparazione dell’aria di coflow (diffuser) ed una sezione verticale (wind tunnel) dove si svolge la fiamma.
L’aria di coflow viene accelerata mediante una ventola (fan) ed attraversa, prima di entrare nella sezione di test, una serie di griglie, di restringimenti di sezione ed una struttura a nido d’ape.
Lo schema semplificato dell’apparecchiatura è illustrato nella Figura 4.7:
Figura 4.7 – Geometria del bruciatore e del wind tunnel per l’impianto
Per analizzare l’influenza sperimentale delle differenze costruttive delle apparecchiature utilizzate dai due istituti (ETH e Sandia), è stata ricostruita la geometria del wind tunnel del Sandia (volume di misura (probe) fisso, fiamma mobile e wind tunnel di base quadrata di lato 30 cm anch’esso mobile) per un punto di misura.
Tuttavia, per le misure effettuate mediante Laser Doppler Velocimetry, non sono state rilevate differenze di alcun tipo tra le due diverse geometrie utilizzate.
4 Descrizione dei test case. 2
4.1 Fiamma bluff-body a CH4-H2 2
4.2 Fiamma a H2 6
4.2.1 Misure di temperatura e delle concentrazioni delle specie chimiche 6
