Validazione numerico-sperimentale del modello G-equation applicato alla combustione di miscele idrogeno metano su motore RCEM = Numerical-experimental validation of the G-equation model applied to the combustion of hydrogen-methane mixtures on an RCEM engine

Il presente lavoro di tesi ha come obiettivo la calibrazione di un modello di combustione predittivo per un prototipo di motore RCEM (Rapid Compression Expansion Machine), alimentato con miscele di idrogeno e metano in diverse frazioni in massa (25%H2-75%CH4, 50%H2-50%CH4, 75%H2-25%CH4, 100%H2), sia in condizioni stechiometriche che magre. La validazione del modello è stata condotta mediante simulazioni CFD tridimensionali utilizzando il software CONVERGE Studio. L’interesse verso motori con geometria a precamera alimentati a idrogeno e metano nasce dalla volontà di esplorare configurazioni a basso impatto ambientale e ad alta efficienza: l’idrogeno, grazie al suo ampio intervallo di infiammabilità, alla bassa energia di accensione e all’elevata velocità di propagazione della fiamma laminare, risulta particolarmente adatto a funzionare anche in condizioni di carica molto magra; il metano invece, contribuisce alla stabilità della fiamma e garantisce emissioni di CO₂ contenute, rendendo la miscela combinata interessante sotto molteplici aspetti. Per la modellazione del processo di combustione è stato adottato il modello G-equation, che rappresenta il fronte di fiamma come una superficie di discontinuità tra gas freschi e gas combusti. Tale modello è stato accoppiato al meccanismo chimico C3 v3.5, utilizzato per il calcolo delle velocità di fiamma laminari della miscela, fornite come input del modello. L’obiettivo del lavoro è la definizione di un modello numerico robusto, in grado di riprodurre con buona approssimazione i risultati sperimentali in termini di andamento della pressione in camera di combustione e precamera, rilascio termico e frazione di massa bruciata, mantenendo al contempo costi computazionali contenuti. Rispetto a modelli che risolvono direttamente la chimica dettagliata delle reazioni che avvengono all’interno del fronte di fiamma, il G-equation consente di ridurre la complessità numerica e le esigenze di raffinatezza della mesh. I risultati numerici sono stati confrontati sia con i dati sperimentali dei parametri fisici acquisiti, sia con le immagini registrate tramite accesso ottico al motore RCEM, al fine di valutare anche la coerenza qualitativa della progressione del fronte di fiamma all’interno della camera, ottenendo una buona correlazione numerico sperimentale soprattutto per miscele stechiometriche a basse frazioni di idrogeno. Le maggiori criticità sono emerse per miscele magre ad alto contenuto di idrogeno, probabilmente a causa della maggiore sensibilità del meccanismo chimico C3 v3.5 alle elevate concentrazioni di quest’ultimo, pur ottenendo risultati comparabili con altri modelli di combustione già validati.