2
Risultati
2.1
Simulazione numerica del bruciatore bluff-body
In questo Paragrafo sono riportati i risultati delle simulazioni numeriche condotte sul bruciatore
bluff-body nel caso di flusso reagente ottenuti utilizzando il modello di combustione EDC per
chimica veloce (Fast chemistry).
I risultati forniti dal codice di calcolo CFX 5.7 sono stati confrontati con i dati ottenuti dalle simulazioni condotte nel corso di un precedente lavoro di Tesi (Parente, Anno Accademico 2003-2004).
2.1.1
Risultati relativi al flusso reagente
Nel caso reagente il flusso è influenzato dai fenomeni di scambio termico e dalle variazioni locali di densità. Il ricircolo dei prodotti di combustione caldi verso la zona di alimentazione dei reagenti fornisce una sorgente di ignizione costante che permette di stabilizzare la fiamma.
Il rilascio di calore nella zona di ricircolazione determina una riduzione locale della densità del fluido con conseguente spostamento del punto di stagnazione del flusso di co-flow più a valle lungo l’asse rispetto al caso isotermo.
In Errore. L'origine riferimento non è stata trovata. e in Errore. L'origine riferimento non è
stata trovata. si riportano, rispettivamente, il campo di velocità del fluido e un particolare del
campo di moto nella zona di ricircolazione a valle del bluff-body, ottenuti con il modello di turbolenza k-ε ……. EDC (o quello venuto meglio….). La Errore. L'origine riferimento non è
stata trovata. evidenzia, la struttura a doppio vortice della zona di ricircolo che si estende, per circa
1.6 diametri caratteristici a valle della sezione di ingresso dei reagenti.
FIGURACampo di velocità ottenuto nel caso di flusso reagente con il modello di turbolenza k-ε ……
FIGURAParticolare del campo di moto nella zona di ricircolazione a valle del bluff-body, ottenuto nel caso di flusso reagente con il modello di turbolenza k-ε modificato.
I risultati presi dal lavoro di Tesi precedentemente effettuato sono stati scelti tra quelli provenienti dai modelli che hanno fornito risultati migliori nella simulazione del bruciatore e sono rispettivamente :
Modello k−ε modificato con modello di radiazione Monte Carlo
Lo sviluppo dei profili radiali della velocità media assiale e radiale del fluido lungo l’asse x sono riportati in Errore. L'origine riferimento non è stata trovata. e in Errore. L'origine riferimento
non è stata trovata., rispettivamente. I risultati forniti dal codice di calcolo sono confrontati con i
dati sperimentali e con i vari modelli, vedi tabella….
. La Errore. L'origine riferimento non è stata trovata. conferma che il modello k-ε …… COMMENTO…è in grado di predire in maniera accurata le caratteristiche del flusso reale solo in prossimità della sezione di uscita dei flussi di alimentazione. Per coordinate assiali maggiori di
26 . 0 /Db =
x , infatti, si osserva una sottostima (pari al 20% circa) non trascurabile, della velocità di
center-line del fluido. È importante sottolineare che, rispetto al caso isotermo, il modello k-ε modificato è in buon accordo con i dati sperimentali per valori di x/Db <0.9. Per valori di x/Db
superiori, invece, anche il modello k-ε modificato tende a sovrastimare lo spread del getto centrale, producendo una sottostima della velocità di center-line che risulta massima per x/Db =1.3 e pari al 25% circa, comunque inferiore a quella del modello standard, pari al 60%. Come per il caso isotermo, le misure relative alla componente radiale della velocità media presentano una forte dispersione, attribuibile alla minore accuratezza con cui sono state effettuate le prove sperimentali. Quanto al confronto tra i valori calcolati e misurati, la Errore. L'origine riferimento non è stata
trovata. conferma la migliore capacità predittiva del modello k-ε modificato rispetto a quello
Figura 2.1 - Confronto tra i profili radiali, calcolati e misurati, della velocità media assiale del fluido nel caso diflusso reagente
Figura 2.2 - Confronto tra i profili radiali, calcolati e misurati, della velocità media radiale del fluido nel caso di
flusso reagente.
La Errore. L'origine riferimento non è stata trovata. riporta il campo di temperatura ottenuto, con il modello k-ε ……. La fiamma risultante dalle simulazioni numerica evidenzia l’esistenza delle tre zone individuate dall’analisi sperimentale:
la zona di ricircolazione (recirculation zone) dei gas di combustione caldi alla radice della fiamma, che viene stabilizzata per la presenza di una sorgente di ignizione costante;
una zona di estinzione della fiamma (neck zone), a valle della zona di ricircolo,
una zona di re-ignizione della miscela (jet-like propagation zone), nella quale si completa la combustione.
FIGURA Campo di temperatura nella zona di ricircolazione a valle del bluff-body, ottenuto nel caso di flusso reagente con il modello di turbolenza k-ε ……
La Errore. L'origine riferimento non è stata trovata. riporta i profili radiali della temperatura media del fluido al variare del rapporto x/Db, realizzando un confronto tra valori misurati e i risultati delle simulazioni numeriche. COMMENTO Si osserva che il modello di turbolenza k-ε modificato fornisce un accordo più che soddisfacente con i dati sperimentali, considerando la semplicità del modello di combustione utilizzato (Eddy Dissipation) e la complessità del flusso reale. Inoltre, è necessario precisare che le differenze tra valori misurati e calcolati in corrispondenza di x/Db =0.26 non sono dovute ad inadeguatezze delle simulazioni numeriche ma dipendono da errori intrinseci nelle misure sperimentali. Infatti, data l’intermittenza della fiamma in tale zona, i valori di temperatura ottenuti dall’analisi sperimentale, calcolati come media delle misure, sottostimano necessariamente la temperatura reale della fiamma (Dally et al., 1998b). Il modello k-ε standard fornisce, invece, un buon accordo con i dati sperimentali solo in prossimità del bluff-body ed evidenzia, a partire da x/Db =0.9, una tendenza a sovrastimare la temperatura di
center-line del fluido. L’entità di tale sovrastima risulta massima per x/Db =1.8 e pari a circa 400 K.
Figura 2.3 - Profili radiali, calcolati e misurati, della temperatura media del fluido nel caso di flusso reagente
La figura 2.4 il confronto riporta dell’evoluzione lungo l’asse x dei profili radiali della frazione massica media dell’NO,yNO ottenute utilizzando il modello di combustione EDC COMMENTO Il
grado di accordo tra valori misurati e dati sperimentali è buono, fatta eccezione per le posizioni assiali x/Db =0.9 e x/Db =1.3, in corrispondenza delle quali i profili sperimentali presentano
massimi molto più pronunciati. Tale differenza può essere attribuita al fatto che la formazione dell’NO è stata modellata con meccanismi globali semplificati a singolo stadio, incapaci di descrivere con precisione la complessità dei cammini di reazione reali.
La Figura 2.1 riporta l’andamento dei profili radiali delle mixture fraction,ZI, lungo l’asse x. Per ottenere il valore della mixture fraction media si è utilizzata l’equazione di Bilger (1990):
(
) (
) (
)
(
) (
) (
)
, , , , , , , , , 2 2 2 2 C C O H H O O O O C H O C F C O H F H O O F O O C H O Z Z Z Z Z Z W W W Z Z Z Z Z Z W W W ξ ⋅ − − − + − ⋅ ≡ ⋅ − − − + − ⋅ (1.1)dove Zi O, ,Zi F, rappresentano la frazione massica totale dell’elemento chimico i (carbonio, idrogeno,ossigeno) rispettivamente nell’ossidante (aria) e nel combustibile (miscelaCH4 −H2) e
i
Wla massa atomica dell’elemento i.
L’applicazione di questa formula è molto “appropriata” in quanto considera i singoli elementi delle specie molecolari presenti nella miscela reagente indipendentemente dalla loro quantità.
Figura 2.5 - Profili radiali delle mixture fraction .
COMMENTO Il grado di accordo tra valori misurati e dati sperimentali è buono, fatta eccezione per le posizioni assiali x/Db =0.9 e x/Db =1.3, in corrispondenza delle quali i profili sperimentali presentano massimi molto più pronunciati. Tale differenza può essere attribuita al fatto che la formazione dell’NO è stata modellata con meccanismi globali semplificati a singolo stadio, incapaci di descrivere con precisione la complessità dei cammini di reazione reali.
2.2
Simulzione numerica della fiamma a H2
In questo paragrafo si riportano i risultati delle simulazioni numeriche condotte per la fiamma diffusiva a H2 nel caso di flusso reagente. I risultati forniti dal codice di calcolo CFX 5.7 sono stati confrontati con i dati sperimentali raccolti presso l’Institute of Energy Technology di Zurigo (ETH) e presso Sandia National Laboratories e consultabili alla pagina Web del sito Internet http://www.ca.sandia.gov/TNF.
Per questa fiamma è stata effettuata un’analisi più ampia rispetto a quella precedente soprattutto dal punto di vista dei confronti tra i modelli utilizzati.
Le prove effettuate sono riportate in Tabella … Cap5 .
Per questa fiamma sono state effettuate due analisi di sensitività , la prima effettuata per il modello EDM, per individuare l’influenza che ha sulla fiamma il modello di combustione al variare del valore della costante Cε1
La seconda analisi di sensitività è stata effettuata, per studiare l’effetto del modello di combustione, confrontando l’andamento dei profili di temperatura, mixture fraction, velocità assiale della fiamma alle varie distanze assiali variando il modello utilizzato per la modellazione di questa fiamma, per il caso con Cε1 =1.44 e pel il caso Cε1 =1.6.
2.2.1
Influenza del modello di turbolenza
In questo Paragrafo viene analizzata l’influenza del modello di turbolenza sulle distribuzioni di velocità, mixture fraction alle varie distanze assiali del profilo della fiamma, nel caso di modello di combustione k−ε standard e modificato. Questa analisi ci ha permesso come vedremo analizzando i risultati, di escludere l’utilizzo del valore di Cε1=1.5, scelto tra il Cε1 del modello standard (1.4) ed il Cε1 del modello modificato (1.6).
In Errore. L'origine riferimento non è stata trovata. e Errore. L'origine riferimento non è
stata trovata. Errore. L'origine riferimento non è stata trovata. si riportano al variare del valore
della costante Cε1, rispettivamente i profili di velocità media assiale del fluido, i profili radiali della temperatura media del fluido e l’andamento delle mixture fraction .
Figura 2.8 – Profili radiali delle mixture fraction al variare del valore della Cε1
Avendo scartato l’ipotesi di utilizzare per il modello di turbolenza il valore della costante Cε1=1.5 l’analisi successiva per gli altri modelli prenderà in considerazione i casi con Cε1standard e
1
Cε modificato.
2.2.2
Influenza del modello di combustione
In questo Paragrafo viene analizzata l’influenza del modello di combustione sulle distribuzioni di velocità, mixture fraction e di temperatura per valori di Cε1 =1.44 e Cε1 =1.6 dei vari modelli utilizzati per la simulazione.
Confronti con Cε1 =1.44
Nella seguente figura…… si riporta l’andamento dei profili radiali della velocità media assiale al variare della coordinata x per i vari modelli nel caso di Cε1=1.44.
Nella seguente figura…… si riporta l’andamento dei profili radiali della temperatura media del fluido al variare della coordinata assiale e del modello di combustione utilizzato
Figura 2.10 - Confronto profili radiali della temperatura media del fluido al variare della coordinata assiale e del modello di combustione utilizzato.
Nella seguente figura…… si riporta l’andamento dei profili radiali delle mixture fraction al variare della coordinata assiale x e del modello di combustione utilizzato.
Figura 2.11 – confronto dei profili radiali delle mixture fraction al variare del valore della coordinata assiale e del modello di combustione
COMMENTO
Confronti con Cε1 =1.6
Nella seguente figura…… si riporta l’andamento dei profili radiali della velocità media assiale al variare della coordinata x per i vari modelli nel caso di Cε1=1.6.
Nella seguente figura…… si riporta l’andamento dei profili radiali della temperatura media del fluido al variare della coordinata assiale e del modello di combustione utilizzato.
Nella seguente figura…… si riporta l’andamento dei profili radiali delle mixture fraction al variare della coordinata assiale x e del modello di combustione utilizzato.
Per questo tipo di fiamma si è effettuata un’analisi più approfondita per quanto riguarda l’utilizzo del modello di combustione flamelet il quale ci permette di effettuare un confronto tra i dati sperimentali ed il valore delle frazioni di massa alcuni radicali.
Nella seguente figura è illustrato l’andamento dei profili radiali della mass fraction per il radicale OH al variare della coordinata assiale x .
È stata valutata inoltre con questo modello di combustione, l’evoluzione lungo l’asse x dei profili radiali della frazione massica media dell’NO,yNO.
Nella seguente figura si illustrano i risultati ottenuti:
Figura 2.13 - Profili radiali, calcolati e misurati, della frazione massica media dell’NO nella miscela gassosa con modello EDM
Per questo modello sono stati valutati inoltre gli andamenti delle distribuzioni per le mixture fraction e temperatura per valori di Cε1=1.44 e Cε1=1.6 confrontandoli con i rispettivi andamenti sperimentali.
2 Risultati 2
2.1 Simulazione numerica del bruciatore bluff-body 2
2.1.1 Risultati relativi al flusso reagente 2
2.2 Simulzione numerica della fiamma a H2 11
2.2.1 Influenza del modello di turbolenza 11 2.2.2 Influenza del modello di combustione 15
