Capitolo 6
Risultati delle simulazioni delle prove di Livorno
6.1. Introduzione
Nel presente capitolo sono analizzati i risultati relativi alle campagne sperimentali di Livorno: prove isoterme e prove di combustione di polverino di carbone
6.2. Risultati prove isoterme
Sono riportati i risultati del campo di moto ricavati dalle simulazioni delle prove isoterme per varie condizioni dello swirler setting, SS = 10, SS = 5 e SS = 8. Per le prove con SS = 10 i risultati numerici sono confrontati con le misure sperimentali. Segue quindi l’analisi delle cadute del numero di swirl nel condotto dell’aria secondaria per le tre configurazioni descritte.
.
6.2.1. Swirler setting SS = 10
Nella Figura 6.1 è mostrata la distribuzione di velocità dell’aria nella configurazione con swirler setting SS = 10 (cui corrisponde un numero di swirl teorico di 1.68) : si può notare la zona di ricircolo (IRZ) nella regione del quarl.
I profili di velocità ottenuti dalle simulazioni numeriche con diversi modelli di turbolenza (k- std, RNG k-, k-stde k-SST), sono stati confrontati con misure sperimentali. Tali confronti sono mostrati nelle Figure 6.2, 6.3 e 6.4 per velocità assiali e tangenziali in 4 porte di misura poste a differenti distanze dal quarl outlet (AD)
L’analisi dei risultati mette in evidenza che il modello di turbolenza che meglio predice l’evoluzione aerodinamica del flusso in esame è il modello k-SST (Figure 6.2 e 6.3). Dalla figura 6.4 si può notare, comunque, che anche i modelli k-std e RNG k- riescono a predire con buona approssimazione i profili di velocità assiali e tangenziali ricavati dalle misure
sperimentali. Per quanto riguarda invece il modello k-std, esso risulta sufficientemente accurato solo nella regione near burner, mentre per distanze assiali maggiori risulta largamente in disaccordo con i dati sperimentali. Ciò è dovuto al fatto che le constanti di tale modello, sono state ricavate dall’analisi di un campo di moto semplificato di flusso su lastra piana, ed è pertanto inadatto allo studio di un flusso swirlato. Questa è infatti una delle limitazioni più note di questo modello, che però è usatissimo a causa della sua robustezza numerica.
Figura 6.1- Campo di velocità dell’aria per SS = 10 Velocità [m/s]
Figura 6.2 - Profili radiali della velocità assiale a diverse distanze dal bruciatore per configurazione con SS = 10. Confronto tra dati sperimentali e predizioni con modello di turbolenza k-SST.
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V e loc ità as si al e [ m/ s] -1 0 0 1 0 2 0 -1 2 0 0 -8 0 0 -4 0 0 0 4 0 0 8 0 0 1 2 0 0 -1 0 0 1 0 2 0 -1 2 0 0 -8 0 0 -4 0 0 0 4 0 0 8 0 0 1 2 0 0 -1 0 0 1 0 2 0 -1 2 0 0 -8 0 0 -4 0 0 0 4 0 0 8 0 0 1 2 0 0 A D [ m] A D = 0 .17 A D = 0 .42 A D = 1. 0 2Figura 6.3 - Profili radiali della velocità tangenziali a diverse distanze dal bruciatore per configurazione con SS = 10. Confronto tra dati sperimentali e predizioni con modello di turbolenza k-SST.
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-2 0 -1 0 0 1 0 2 0 -1 2 0 0 -8 0 0 -4 0 0 0 4 0 0 8 0 0 1 2 0 0 -2 0 -1 0 0 1 0 2 0 -1 2 0 0 -8 0 0 -4 0 0 0 4 0 0 8 0 0 1 2 0 0 -2 0 -1 0 0 1 0 2 0 -1 2 0 0 -8 0 0 -4 0 0 0 4 0 0 8 0 0 1 2 0 0 A D [ m] A D = 0 .17 A D = 0 .42 A D = 1 .02 V e lo c ità tan g e n z ial e [ m/ s]Figura 6.4 - Profili radiali della velocità assiali (in alto) e tangenziali (in basso) a diverse distanze dal bruciatore per configurazione con SS = 10. Confronto tra dati sperimentali e predizioni con modelli di turbolenza k-std, k-std e k-RNG. -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 -1200 -800 -400 0 400 800 1200 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 -1200 -800 -400 0 400 800 1200 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 -1200 -800 -400 0 400 800 1200 -10 0 10 20 -1200 -800 -400 0 400 800 1200 -10 0 10 20 -1200 -800 -400 0 400 800 1200 -10 0 10 20 -1200 -800 -400 0 400 800 1200 AD = 0.17 m AD = 0.42 m AD = 1.02 m Velocità tangenziale [m/s] Velocità assiale [m/s]
6.2.2. Swirler setting SS = 5
Come accennato in precedenza (vedi par. 3.3.2) i dati sperimentali relativi alle misure del campo di velocità del flusso con SS = 5 presentano delle anomalie, quali una certa asimmetricità rispetto all’asse della fornace. Per tale motivo le prove con SS = 5 non sono confrontate con dati sperimentali ma si cercherà di interpretare il trend, dal confronto con i risultati ottenuti con SS = 10. Ulteriori prove sperimentali sono previste in futuro, ma riguarderanno uno swirler setting pari a quello operativo delle prove a caldo e cioè SS = 8. Nelle Figure 6.5 e 6.6 sono riportati i profili simulati di velocità assiale e tangenziale per SS = 5 e SS =10 (ricavati con modello di turbolenza k-SST), nelle quali è possibile notare l’incidenza dell’assetto dello swirler sul campo di moto del flusso.
Per setting SS = 10 (numero di swirl teorico: 1.68), è evidente la presenza della zona interna di ricircolo all’interno del quarl, evidenziata dalla componente negativa di velocità assiale alla porta 1 (AD = 0.17 m). I profili di velocità assiale sottolineano, poi, il maggior “allargamento” del flusso dovuto all’effetto dello swirl rispetto al caso con SS = 5.
Nel caso di assetto SS = 5 (numero di swirl teorico: 0.51), è evidente, invece, la quasi totale assenza di swirl nella regione di fiamma: la componente negativa di velocità assiale alla porta 1 è appena accennata e ciò determina un ricircolo di gas combusti minimo. Come si vedrà in seguito, le perdite del flusso del momento della quantità di moto tangenziale all’interno del condotto dell’aria portano ad una riduzione del numero di swirl da un valore di 0.51 (relativo alla sezione di ingresso del condotto dell’aria a valle dello swirler) ad una valore di 0.46 in ingresso alla camera di combustione.
Figura 6.5 - Profili radiali della velocità assiale a diverse distanze dal bruciatore. Confronto tra predizioni con SS = 5 e SS = 10 ricavate con modello di turbolenza k-SST.
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V e loc ità as si al e [ m/ s] -1 0 0 1 0 2 0 -1 2 0 0 -8 0 0 -4 0 0 0 4 0 0 8 0 0 1 2 0 0 -1 0 0 1 0 2 0 -1 2 0 0 -8 0 0 -4 0 0 0 4 0 0 8 0 0 1 2 0 0 -1 0 0 1 0 2 0 -1 2 0 0 -8 0 0 -4 0 0 0 4 0 0 8 0 0 1 2 0 0 A D [m] A D = 0. 17 A D = 0 .42 A D = 1. 0 2Figura 6.6 - Profili radiali della velocità tangenziale a diverse distanze dal bruciatore. Confronto tra predizioni con SS = 5 e SS = 10 ricavate con modello di turbolenza k-SST.
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Nella figura 6.7 sono riportati i profili di velocità assiale e tangenziale all’interno della fornace ottenuti dalle simulazioni con configurazione SS = 8 (con modello di turbolenza k-SST). Come accennato in precedenza, i risultati di tale modellazione permettono di ricavare i profili di velocità in ingresso alla camera di combustione utilizzati come condizione di ingresso per il flusso di aria secondaria nella modellazione delle prove a caldo, per le quali si è scelta una semplificazione della geometria della fornace e del bruciatore.
Figura 6.7 – Predizione con modello di turbolenza k-SST dei profili radiali della velocità assiali (in alto) e tangenziali (in basso) a diverse distanze dal bruciatore per configurazione con SS = 8 .
-10 0 10 20 -1200 -800 -400 0 400 800 1200 -10 0 10 20 -1200 -800 -400 0 400 800 1200 -10 0 10 20 -1200 -800 -400 0 400 800 1200 AD = 0.17 m AD = 0.42 m AD = 1.02 m -20 -10 0 10 20 -1200 -800 -400 0 400 800 1200 -20 -10 0 10 20 -1200 -800 -400 0 400 800 1200 -20 -10 0 10 20 -1200 -800 -400 0 400 800 1200 AD = 0.17 m AD = 0.42 m AD = 1.02 m Velocità tangenziale [m/s] Velocità assiale [m/s]
6.2.4. Analisi del numero di swirl
Come illustrato nel paragrafo 3.2.3.1, il calcolo teorico del numero di swirl è affetto da notevole incertezza, poiché fornisce il valore del numero di swirl che si ha immediatamente a valle dello swirler, trascurando le perdite che si determinano nel condotto dell’aria secondaria.
La valutazione delle perdite nelle configurazioni prese in esame (SS = 5, SS = 8 e SS = 10) è stata effettuata analizzando il campo di moto del flusso di aria nel tratto compreso tra lo swirler e la sezione di ingresso alla camera di combustione. E’ stato calcolato il numero di swirl in diverse sezioni del condotto, per integrazione numerica dei flussi di quantità di moto assiali e tangenziali (secondo le equazioni (eq. 3.2) e (eq. 3.3)), in modo tale da valutarne l’esatta entità nella sezione di uscita del bruciatore. Nella figura 6.8 sono rappresentati i vettori di velocità del flusso d’aria nel caso SS = 10.
Figura 6.8 – Rappresentazione vettoriale dei profili di velocità del flusso nel condotto dell’aria per SS = 10
L’analisi dei risultati mette in evidenza che tali perdite sono tanto maggiori quanto maggiore è il numero di swirl a monte del condotto dell’aria. In particolare, nel caso di swirler setting SS = 10 si ha una riduzione del 26%, mentre nel caso SS = 8 e SS = 5 rispettivamente del 17% e 10%. Nella figura 5.43 è riportato l’andamento del numero di swirl nel tratto compreso tra lo swirler e il quarl inlet, per SS = 10.
Fig 6.9 - Andamento del numero di swirl nel tratto la per setting dello swirler SS =10
Nella figura 6.10 è riportato (in blu) il valore del numero di swirl teorico1 per l’IFRF movable
block swirl generator nei diversi setting di calibrazione; in corrispondenza dei valori relativi a
SS = 5, SS = 8 e SS = 10 è riportato (in rosso) il valore calcolato nella sezione di ingresso alla camera di combustione.
Fig 6.10 - Numero di swirl teorico al variare di SS (in blu); valore del numero di swirl in ingresso alla fornace calcolato per via numerica (in rosso)
1
Il metodo di calcolo per la valutazione del numero di swirl è riportato nel par. 3.2.3.1 -26 %
-17 %
6.3. Risultati delle prove di combustione di polverino di carbone
Le simulazioni delle prove di combustione di polverino di carbone condotte a Livorno sono state effettuate con: modello di combustione: EDM, modello di turbolenza SST, modello di devolatilizzazione CPD, modello di radiazione P1, modello spettrale WSGGM. Tale modello è stato scelto in base all’analisi effettuata sulle prove di Ijmuden (vedi Capitolo 5).
Durante lo svolgimento dei test sperimentali si sono riscontrate difficoltà nella rilevazione delle misure all’interno della fornace. In particolare, i dati relativi alla concentrazione delle specie chimiche risultano poco attendibili, e non sono state effettuate misure sul campo di moto del flusso. E’ prevista nell’immediato futuro una replica delle prove ed una più corretta misurazione delle grandezze in esame.
Di seguito è riportata l’analisi del campo di temperatura e della concentrazione delle specie CO2 e O2 .
6.3.1. Campo di temperatura
Nelle figure 6.11 è riportato il campo di temperatura all’interno della fornace; nella figura 6.12 il confronto tra i profili di temperatura simulati e quelli relativi alle misure sperimentali. Nella legenda: ‘case_Liv’ si riferisce al modello del presente lavoro, ‘Exp’ alle misure sperimentali.
Figura 6.11 - Campo di temperatura (case_Liv di Tabella 4.14).
Figura 6.12 - Profili radiali di temperatura a diverse distanze dal bruciatore. Confronto tra dati sperimentali e predizioni del presente lavoro (case_Liv di Tabella 4.14).
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Te mp er atu r a [ K ] -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 0 0 2 0 0 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 0 0 2 0 0 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 0 0 2 0 0 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 0 0 2 0 0 0 A D [m] A D = 0 .17 A D = 0. 4 2 A D = 1. 0 2 A D = 1. 6 1I grafici di figura 6.12 mettono in evidenza una buona accuratezza del modello numerico nella previsione del campo di temperatura all’interno della fornace. In particolare, un disaccordo tra i profili simulati e le misure sperimentali è registrato alle porte più vicine al quarl outlet (AD = 0.17 m e AD = 0.42 m) intorno alla distanza radiale Y = 0.2 m, dove le misure sperimentali non rilevano i picchi di temperatura legati all’effetto dello swirl; picchi che tendono a smorzarsi per distanze assiali maggiori. Ciò può essere in parte attribuibile anche ad un basso infittimento dei punti sperimentali che non permette di “catturare” eventuali massimi o minimi di temperatura.
6.3.2. Concentrazione delle specie chimiche
Nelle Figure 6.13 e 6.14 sono riportati, rispettivamente, i confronti tra i profili di concentrazione di CO2 e O2 simulati e quelli relativi alle misure sperimentali. I risultati
rilevano un buon accordo con le misure sperimentali in particolar modo per piccole distanze radiali intorno all’asse. Come per i profili di temperatura, anche per le concentrazioni le misure sperimentali non rilevano i valori di picco che si registrano intorno alla distanza radiale
Y = 0.2 m; ciò può essere attribuito anche ad un basso infittimento dei punti sperimentali che
Figura 6.13 – Profili radiali di concentrazione della specie O2 a diverse distanze dal bruciatore. Confronto tra dati sperimentali e predizioni del presente lavoro (case_Liv di Tabella 4.14)
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2 O2 [ % vol ] -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 2 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 2 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 2 0 -1 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 2 0 A D [m] A D = 0. 1 7 A D = 0 .42 A D = 1 .02 A D = 1. 61Figura 6.14 – Profili radiali di concentrazione della specie CO2 a diverse distanze dal bruciatore. Confronto tra dati sperimentali e predizioni del presente lavoro (case_Liv di Tabella 4.14)
