Periodico bimestrale
Anno XIX, numero 88
Sett./Ottobre
ISSN 1128-3874
Automotive

Uno strumento dedicato per la simulazione della Combustione

Karin Fröid

Recenti eventi relativi alle emissioni Diesel portati all’attenzione del grande pubblico sottolineano l’importanza della riduzione delle emissioni e rivelano anche la grande difficoltà di questa sfida. Le emissioni rappresentano prodotti collaterali di un processo chimico e per conoscere, prevedere e progettare veicoli conformi è necessario comprendere a fondo la sequenza di reazioni chimiche alla base del processo. Lo scopo di questo articolo è fornire un’introduzione agli strumenti disponibili per facilitare e rendere più immediate la comprensione del lavoro dell’ingegnere di combustione e la previsione delle reazioni chimiche.

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Le sfide dell’ingegnere di combustione

Immaginiamo la giornata-tipo di un ingegnere inserito in un contesto aziendale di progettazione, il cui scopo sia quello di analizzare e migliorare la progettazione di un bruciatore a gas naturale. Grazie ad esempio alla piattaforma STAR-CCM+® di CD-adapco, l’utente è in grado di configurare rapidamente la geometria e la fisica, scegliendo il modello di combustione standard Eddy Break Up (EBU). L’utente sceglie ad esempio (per motivazioni legate ai tempi di consegna) la semplicità e decide di creare un solo modello di reazione generale, il quale rappresenta un buon punto di partenza  L’utente ottiene un campo di flusso e di temperatura e verifica che i risultati siano accurati. Inizia la progettazione con uno strumento di esplorazione dello spazio di progetto & ottimizzazione (come ad es. Optimate+TM di CD-adapco) che consente di migliorare rapidamente e automaticamente il progetto ottimizzando la posizione dell’ugello del combustibile. 

 

FIGURA 1: Configurazione del caso per l’analisi chimica in DARS

Ipotizziamo che alcuni giorni dopo, un tecnico di laboratorio informi il nostro utente che il bruciatore che sta progettando si comporta in modo diverso a seconda della qualità del gas naturale. L’utente si chiede se sia il caso di prendere in considerazione un approccio più complesso e inizia a porsi le seguenti domande:

Perché il bruciatore si comporta in modo diverso in base alle qualità del gas naturale?

Tipi di gas naturale diversi possono contenere quantità differenti di idrocarburi più grandi. Il gas naturale di alta qualità è composto principalmente da metano, mentre quello di bassa qualità include una piccola percentuale di etano, propano e butano. Gli idrocarburi più grandi si rompono molto più facilmente rispetto al metano, quindi il gas naturale di qualità inferiore brucia più rapidamente.

Qual è l’effetto di una rapida accensione sul comportamento generale della combustione?

Per comprenderlo, l’utente studia gli effetti chimici in un ambiente isolato, eliminando l’influenza dei campi di flusso. Scopre che per raggiungere questo obiettivo può utilizzare uno strumento 0D/1D di simulazione. Ad esempio, DARS è uno strumento di calcolo di CD-adapco (utilizzabile anche indipendemente dalla piattaforma 3D STAR-CCM+) per l’analisi delle reazioni chimiche su reattori idealizzati, zero e monodimensionali. Lo strumento è in grado di leggere e analizzare gli schemi di reazione chimica, ad esempio per la combustione degli idrocarburi e i processi catalitici nei sistemi post-trattamento.

Fiamma a propagazione libera: questo modulo calcola la velocità laminare di fiamma, una proprietà importante per la propagazione della fiamma e di conseguenza per il comportamento di combustione in un bruciatore. Il modulo calcola anche i profili della specie e la temperatura della fiamma.

Pressione costante: questo modulo calcola i tempi di ritardo di accensione, nonché i profili delle specie e le proprietà termodinamiche di un evento di autoaccensione in condizioni omogenee di pressione costante. Può anche essere usato per calcolare la produzione di emissioni.

Libreria di flamelet: questo modulo calcola i profili delle specie chimiche e delle temperature in una fiamma diffusa e calcola anche il limite di estinzione.

Equilibrio: questo modulo calcola le specie chimiche e la temperatura di equilibrio.Per ciascun modulo, l’utente nel suo ipotetico flusso di lavoro prova due differenti qualità di combustibile in DARS: 

Metano puro per simulare un gas naturale di qualità molto alta;

Metano miscelato con una piccola percentuale di idrocarburi grandi (C2-C4).

Per prima cosa, calcola la velocità laminare di fiamma per un intervallo di rapporti di equivalenza. La velocità laminare di fiamma è la velocità di una fiamma a propagazione libera in condizioni di premiscelazione. l’ingegnere di combustione rileva che la fiamma è di circa 1 cm/sec più veloce nella miscela di bassa qualità. Si chiede se questo ha effetto sulla sua progettazione...

Che significato ha una velocità di fiamma maggiore per il bruciatore?

Per ’ingegnere di combustione, questo può rappresentare un rischio di ritorno di fiamma nel bruciatore. Inoltre, nota anche che in condizioni di miscela molto povera, il carburante con metano puro è circa il 14% più lento rispetto al carburante di qualità inferiore; questo significa che il gas naturale di alta qualità tende a un’accensione più lenta.

FIGURA 2: Velocità laminare di fiamma del gas naturale di bassa qualità

Per comprendere il comportamento in caso di combustione per diffusione, l’utente calcola una libreria di flamelet per ciascuna composizione del carburante. Una flamelet è una fiamma a diffusione laminare idealizzata e una libreria di flamelet è un insieme di flamelet per varie velocità di dissipazione scalare (miscelazione). L’utente osserva che la temperatura massima della flamelet è di circa 30K superiore al carburante di bassa qualità con una velocità di dissipazione scalare elevata. Questo rende la fiamma del gas naturale di alta qualità più tendente all’estinzione; l’utente nota che la velocità di dissipazione scalare di estinzione è 41/s per il carburante di bassa qualità e 35/s per quello di alta qualità. La velocità di dissipazione scalare di estinzione è la velocità di miscelazione alla quale viene espulsa la fiamma diffusa. Ciò indica che lo scoppio è più comune con il gas naturale di alta qualità.

FIGURA 3: la temperatura del flamelet per il gas naturale di bassa qualità per varie velocità di dissipazione scalare (linea verde: velocità di dissipazione scalare molto bassa, linea blu: velocità di dissipazione scalare media, linea rossa: velocità di dissipazione scalare molto vicina all’estinzione)

Vengono calcolati i tempi di ritardo di accensione per comprendere l’infiammabilità e per valutare la tendenza alla preaccensione nella zona di miscelazione del bruciatore. Crea un intervallo di parametri (denominato multi-run in DARS) con il metano come carburante, che copre l’intera gamma di rapporti di equivalenza carburante-aria, data la temperatura di ingresso e la pressione ambientale. Dopo alcuni secondi, i calcoli sono terminati e si può osservare l’accensione della miscela. Nota che il tempo di accensione si accorcia del 25% circa per il gas naturale di bassa qualità, creando un maggiore rischio di preaccensione nella zona di miscelazione.

Per i calcoli dell’equilibrio, l’ingegnere di combustione osserva che la temperatura della fiamma adiabatica per il gas naturale di bassa qualità è di circa 5K superiore rispetto a quella del gas naturale di alta qualità. Visto l’effetto sul comportamento di combustione con anche solo un piccolissimo cambio nella composizione del carburante, si deve continuare la campagna di simulazione CFD per quantificare l’effetto sul comportamento di combustione. Le domande da porsi sono:

Come tengo conto delle varie miscele di carburante nei miei calcoli CFD?

Ad esempio,  utilizzando il modello FGM (Flamelet Generated Manifold) in STAR-CCM+, che include la chimica “finite-rate” completa e dettagliata senza compromettere la velocità di esecuzione del calcolo. L’effetto delle differenti miscele di carburante viene tenuto in considerazione nella creazione di una sola libreria FGM per ciascuna miscela. La libreria FGM viene generata dalla chimica dettagliata.

 

FIGURA 4: Infiammabilità per le varie qualità di gas naturale alla temperatura iniziale di 950K (linea blu: alta qualità, linea rossa: bassa qualità)

Come creare una libreria FGM per le condizioni dello specifico bruciatore?

Può essere creato un insieme di librerie FGM per le varie miscele di gas naturale ed essere utilizzato nei calcoli CFD, aggiungendo diversi tipi di combustibile nelle ottimizzazioni con Optimate+. Indentificato ad es. un progetto adatto anche al gas naturale di bassa qualità, questo viene inviato ai tecnici di laboratorio per i test.

A questo punto diventa interessante capire la modalità con cui il fenomeno si verifica.

Come comprendere l’effetto delle varie miscele di carburante?

Eseguendo nuovamente il caso del reattore omogeneo a pressione costante con gas naturale di bassa qualità e con solo metano e controlla l’analisi della sensibilità della specie, il risultato della combustione con metano puro è il seguente:

 

FIGURA 5: Sensibilità della specie per combustione con gas naturale di alta qualità

Come previsto, il metano e l’ossigeno sono le specie dominanti nel processo di combustione. Successivamente, si programma la stessa analisi della sensibilità per il gas di bassa qualità:

 

FIGURA 6: Sensibilità della specie per combustione con gas naturale di bassa qualità

Il propano costituisce solo l’1,5% della miscela, ma influenza comunque la combustione quasi nella stessa misura del metano. Il butano, che rappresenta solo lo 0,3% della miscela, ha anch’esso un effetto significativo sulla combustione. Questo mostra che gli idrocarburi grandi hanno un grande impatto. Per comprendere le reazioni alla base di questo comportamento, l’utente può controllare le sensibilità: si nota che le dissociazioni del propano e del butano sono processi molto importanti, oltre alle reazioni di ossidazione:

 

Figura 7: Sensibilità della reazione per combustione con gas naturale di bassa qualità

Usando le analisi della sensibilità, le tracce dei tempi di ritardo di accensione e le simulazioni CFD, l’uente ha ora a disposizione tutto quanto è necessario per spiegare ai suoi colleghi cosa succede durante il processo. Qualche tempo dopo, il tecnico di laboratorio ritorna e le chiede delle emissioni. Per alcuni punti di carico, le emissioni di CO sono di un livello inaccettabile.  

Come migliorare le prestazioni delle emissioni?

Per comprendere meglio le emissioni di CO, l’utente simula una serie di reattori omogenei a pressione e a temperatura costanti, creando una mappa delle emissioni:

 

FIGURA 8: Le emissioni di CO come funzione della temperatura e rapporto di equivalenza

In questa mappa, si può analizzare la produzione di CO con diversi rapporti di equivalenza carburante-aria e diverrse temperature. Confrontando la frazione della miscela e il campo termico, si rileva che il bruciatore “entra” nell’area di rilascio della CO in alcune zone ricche di carburante, vicino all’uscita del carburante, per l’intervallo di carico specificato: occorre dunque migliorare la miscelazione in queste zone. A tal fine, si imposta un limite al rapporto di equivalenza massimo in queste aree per il successivo ciclo di ottimizzazione. Questo permette di a ridurre la CO (con alcuni effetti negativi sull’efficienza). Per ridurre ulteriormente il rilascio di CO, si aggiunge la CO alle specie post-elaborazione nella generazione delle librerie FGM, rigenerandole successivamente, per studiare direttamente studiare il rilascio di CO. Infine, per comprendere pienamente gli effetti della chimica dettagliata, si può scegliere uno dei casi e applicare la chimica complessa a STAR-CCM+ per eseguire una simulazione CFD completa con il meccanismo chimico usato in DARS. Questo rappresenta un buon benchmark per gli altri modelli di combustione.

 

FIGURA 9: Campo della percentuale di peso della CO nella simulazione in fornace di vetro utilizzando il modello di combustione FGM.

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