5. Risultati fornace da 5,4 kW

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Capitolo 5: Risultati fornace flameless da 5,4 kW

5. Risultati fornace da 5,4 kW

Anche per quanto riguarda questa fornace la bontà delle simulazioni condotte è stata valutata qualitativamente, confrontando i profili predetti con quelli sperimentali, e quantitativamente calcolando le metriche di validazione per la temperatura e per la velocità, sia assiale che radiale.

Per quanto riguarda la temperatura è stato calcolato l’errore medio relativo, mentre per la velocità è stato calcolato l’errore medio assoluto su ogni porta di misura.

5.1 Effetto del modello di turbolenza

Per questa fornace i modelli di interazione cinetica-turbolenza che considerano le reazioni chimiche infinitamente veloci e meccanismi cinetici globali sono stati utilizzati soltanto in via preliminare per ottenere delle soluzioni da cui inizializzare i calcoli con cinetiche finite e dettagliate, in modo da facilitare e rendere stabile la convergenza di questi ultimi.

Per le simulazioni in esame è stato utilizzato il modello di combustione Eddy Dissipation Concept (EDC) e il meccanismo cinetico KEE58, che avevano fornito buoni risultati per il JHC La diffusione molecolare non è stata inclusa a causa degli alti tempi di calcolo causati dall’elevato numero di celle. Tuttavia simulazioni su un bruciatore FLOX® [6] operante con ricircolo interno dei gas, come nel caso della presente fornace, avevano messo in evidenza un trascurabile effetto della diffusione molecolare sul campo di temperatura. Il ruolo della diffusione molecolare per la presente fornace sarà oggetto di attività futura di ricerca.

Il punto fondamentale nella modellazione numerica di questa fornace è la scelta del modello di turbolenza, a causa della presenza e particolare disposizione degli ugelli di ingresso e del forte ricircolo interno di gas esausti.

Sono stati presi in considerazione il modello k-ε standard e il modello k-ε modificato secondo Morse [38].

Il confronto tra il campo di moto sperimentale e quello predetto con i 2 modelli di turbolenza è mostrato nelle Figure 5.1 e 5.2.

In Figura 5.1 sono riportati i profili di velocità assiale su le cinque diverse porte di misura. La Figura 5.2 mostra invece i profili di velocità radiale su le stesse cinque porte di misura.

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Figura 5.1: Confronto tra i profili radiali sperimentali di velocità assiale e quelli predetti con i modelli di turbolenza k-ε standard e modificato. Modello di combustione EDC, schema cinetico KEE58.

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Il trend dei profili radiali di velocità assiali viene predetto abbastanza bene dai 2 modelli, anche se il modello standard fornisce un accordo migliore (vedi metriche di validazione della Tabella 5.1).

Per la velocità radiale si notano maggiori scostamenti, anche se bisogna dire che tale velcoità in assoluto ha valori minori e quindi le differenze sono maggiormente visibili. (vedi Figura 5.2 e metriche di validazione in Tabella 5.2)

Tabella 5.1: metriche di validazione per le predizioni di velocità assiale ottenute con i modelli di turbolenza k-ε standard e modificato. Modello EDC e il meccanismo KEE58.

k-ε modificato [m/s] k-ε standard [m/s] z=12,5 mm 2.774 2.246 z=112,5 mm 4.561 4.639 z=212,5 mm 3.946 3.233 z=312,5 mm 4.998 2.788 z=412,5 mm 4.968 1.931

Tabella 5.2: metriche di validazione per le predizioni di velocità radiale ottenute con i modelli di turbolenza k-ε standard e modificato. Modello EDC e il meccanismo KEE58.

k-ε modificato [m/s] k-ε standard [m/s] z=12,5 mm 1.312 1.484 z=112,5 mm 0.387 0.226 z=212,5 mm 0.526 0.504 z=312,5 mm 0.173 0.150 z=412,5 mm 1.739 1.707

Dai dati di velocità sembra quindi che l’errore commesso utilizzando il modello k-ε standard sia minore rispetto a quello commesso utilizzando il modello k-ε modificato.

La Figura 5.3 mostra il confronto tra il profilo sperimentale di temperatura lungo l’asse della fornace e quelli predetti dai modelli k-ε standard e modificato. Si nota un miglior accordo del modello modificato. Ciò è evidente anche dall’errore riportato in Tabella 5.3.

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Figura 5.3: Confronto tra il profilo sperimentale di temperatura lungo l’asse della fornace e quelli predetti con imodelli di turbolenza k-ε standard e modificato. Modello di combustione EDC, schema cinetico KEE58.

Tabella 5.3: metriche di validazione per le predizioni di temperatura ottenute con i modelli di turbolenza k-ε standard e modificato. Modello EDC e il meccanismo KEE58.

k-ε modificato [-] k-ε standard [-] Asse z 0.038 0.076

Con il modello k-ε standard si commette un errore quasi doppio rispetto al modello modificato, contrariamente a quanto osservato per il campo di moto.

Ciò è spiegabile considerando che le misure di temperatura sono effettuate lungo l’asse z, e il modello k-ε standard predicendo un getto più rilassato rispetto al modello modificato, mostra il picco di temperatura più distante dall’asse (vedi distribuzioni di temperatura di Figura 5.4) Di conseguenza il rilascio di calore porta ad una temperatura minore nell’asse rispetto al caso con modello di turbolenza modificato.

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Figura 5.4: Mappe di temperatura, espressa in Kelvin, ottenuti con i modelli di turbolenza k-ε standard e modificato. Modello EDC e il meccanismo KEE58.

Tuttavia sarebbero necessarie ulteriori misure di temperatura in fornace per trarre conclusioni più accurate.

Le differenze tra le predizioni dei due modelli sono perfettamente visibili anche dalle distribuzioni della frazione massica del radicale OH riportati in Figura 5.5.

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Figura 5.5: Mappe della frazione massica del radicale OH, ottenuti con i modelli di turbolenza k-ε standard e modificato. Modello EDC e il meccanismo KEE58.

Dato che il radicale OH è un indicatore di quale sia la zona di reazione (è un “flame marker”), osservando queste mappe si deduce che i due modelli predicono una zona di reazione diversa, in particolare il modello standard predice, come già detto, un getto più rilassato e quindi più esteso in direzione radiale, rispetto a quello predetto con il modello modificato.

Anche per quanto riguarda le distribuzioni della frazione massica di O2 (Figura 5.6) si può

notare che i due modelli offrono predizioni molto diverse tra loro; in particolare secondo il modello standard l’ossigeno continua ad essere presente in una regione più ampia di quella prevista dal modello modificato.

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Figura 5.6: Mappe della frazione massica di O2, ottenuti con i modelli di turbolenza k-ε standard e modificato.

Modello EDC e il meccanismo KEE58.

Si può inoltre osservare come il sistema sia molto diluito e la concentrazione di ossigeno sia molto bassa, ad indicare un sistema propriamente flameless.

Va comunque segnalato che nessuno dei due modelli fornisce risultati in perfetto accordo con i dati sperimentali. Ciò probabilmente è dovuto al fatto che entrambi i modelli di turbolenza utilizzati in questo lavoro si basano sull’ipotesi di isotropia della turbolenza, mentre in questa fornace tale ipotesi non è verificata, cosi come mostrato dai dati sulle fluttuazioni di velocità riportati da Özdemir e Peters [24].

Un modello di turbolenza non basato su questa ipotesi è il Reynolds Stress Model. Quest’ultimo è un modello a 6 equazioni che quindi può risultare più accurato rispetto ai modelli k-ε.

Va altresì ricordato che nelle simulazioni condotte su questa fornace non è stata presa in considerazione la Differential Diffusion, e pertanto bisognerebbe valutarne l’effetto su un dispositivo di questo tipo.

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5.2 Emissioni di NO

x

Generalmente nella combustione tradizionale il meccanismo dominante per la formazione degli NOx è il meccanismo termico.

In condizioni senza fiamma si hanno però temperature più basse e fluttuazioni minori per cui la formazione degli NOx secondo il meccanismo termico è molte volte annullata.

Pertanto nel modello CFD di questa fornace sono stati considerati altri cammini di produzione degli NOx, vale a dire il meccanismo Prompt suggerito da Fenimore e il meccanismo che

prevede come intermediario l’N2O.

La valutazione delle emissioni di NOx è stata realizzata in fase di post-processing sulla base

dei dati ottenuti con il modello k-ε modificato, il modello EDC e il meccanismo KEE58 senza Differential Diffusion.

Utilizzando i tre meccanismi indicati in precedenza si ottiene una produzione di NOx mostrata

in Tabella 5.4.

Tabella 5.4: Produzione di NOx per la fornace da 5,4 kW, ottenuta considerando il meccanismo termico, il

meccanismo Prompt e il meccanismo con N2O come intermediario, sulla base del modello k-ε modificato, il

modello EDC e il meccanismo KEE58 senza Differential Diffusion.

NOx wet [ppm] NOx dry [ppm] NOx Sperimentale dry [ppm]

6.5 8.4 10

Il codice di calcolo fornisce il dato sulla base della corrente umida; a partire da questo valore, conoscendo la frazione di H2O presente nella corrente in uscita, è stato il calcolato il dato su

base secca per poterlo confrontare con lo sperimentale.

Il risultato ottenuto è in ottimo accordo con il dato sperimentale.

A questo punto è stato valutato il contributo di ciascun meccanismo di formazione alla produzione totale di NOx. Per questo scopo sono stati esportati il tasso di formazione di NOx

per ciascun meccanismo e il tasso di formazione globale, e sulla base di questi dati è stata calcolata la quota parte di NOx prodotta da ciascun meccanismo. I risultati sono riassunti in

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Tabella 5.5: Contributo percentuale di ciascun meccanismo di formazione alla produzione totale di NOx.

Tasso di formazione [(kmol/m3s)(m3)] Contributo di ciascun meccanismo [%] termico 1.543E-11 12.65 prompt 5.426E-12 4.45 via N2O 1.011E-10 82.90 totale 1.220E-10

Il meccanismo con intermediario N2O è responsabile della formazione di più dell’80 % degli

NOx totali.

Pertanto nella modellazione di sistemi di combustione senza fiamma non si può prescindere da questo meccanismo di formazione degli NOx.