Sviluppo di un metodo numerico per la determinazione della velocità laminare di combustione per miscele di metano/aria = Development of a numerical method for the evaluation of the LFS in natural gas-air mixtures

Il crescente interesse verso gli attuali problemi ambientali ha reso la riduzione delle emissioni inquinanti non più un’opzione ma una necessità. Interessanti risultati in termini di riduzione delle emissioni inquinanti per i motori ad accensione comandata possono essere ottenuti utilizzando combustibili alternativi. Il metano è considerato fra i più promettenti clean fuel per motori SI grazie alle sue notevoli proprietà chimico-fisiche, come elevata resistenza alla detonazione (NO pari a 120), ed elevato rapporto H/C, e quindi ridotte emissioni di CO2. I principali contro di tale combustibile sono la bassa velocità di propagazione del fronte di fiamma e la sua scarsa capacità di bruciare in condizioni di miscela povera [1]; un modo per migliorare questo inconvenienti risulta essere l’aggiunta di idrogeno, grazie alla sua più elevata velocità di combustione (sette volte più alta in condizioni stechiometriche). L’obiettivo principale di tale lavoro di tesi è stato la generazione di tabelle di combustione mediante l’utilizzo di LOGEresearch, software di simulazione di cinetica chimica del processo di combustione, per miscele di metano/aria con e senza addizione di idrogeno. Inoltre si è provveduto ad effettuare un confronto fra i due principali meccanismi di cinetica chimica, cioè Aramco 2.0 e GRImech3.0, effettuando anche un confronto con i dati sperimentali di laminar flame speed presenti in letteratura. Durante il reperimento di tali dati sperimentali si è cercato anche di comprendere il motivo per cui ci fosse una grossa discrepanza fra dati sperimentali ottenuti a partire dalle stesse condizioni iniziali della miscela, focalizzando l’attenzione sui metodi constant pressure e constant volume. Una volta generate le tabelle di combustione, si è deciso di implementare quest’ultime su Converge, software di simulazione CFD, al fine di ottenere un ulteriore mezzo di confronto fra i due meccanismi di combustione. Il confronto è consistito nella simulazione di diversi punti di lavoro di dei motori PoliTo Engine e GasOn, confrontando le simulazioni con i trend rilevati sperimentalmente. Un altro importante obiettivo di tale lavoro di tesi è stato lo sviluppo di una correlazione che, fornite in input le condizioni della miscela (pressione, temperatura e percentuale di EGR), permettesse di calcolare il valore della laminar flame speed, per una miscela stechiometrica di metano/aria. Tale correlazione è stata ottenuta a partire dai dati numerici ottenuti con il meccanismo Aramco 2.0, cui è seguita una fase di analisi numerica e curve fitting dei dati a disposizione. Il fine principale è quello di permettere una simulazione più rapida, in virtù della riduzione dei costi computazionali, ma comunque accurata, del processo di combustione. Tale correlazione è stata quindi validata con i dati numerici stessi da cui è stata ricavata e con i dati sperimentali di laminar flame speed presenti in letteratura.