Validazione numerico-sperimentale del meccanismo di cinetica chimica ARAMCO applicato alla combustione di idrogeno e metano in un motore RCEM = Numerical and experimental validation of the ARAMCO chemical kinetic mechanism applied to the combustion of hydrogen and methane in an RCEM engine

Nel presente lavoro di tesi viene svolta un’approfondita analisi numerica della combustione in un motore RCEM (Rapid Compression Expansion Machine), alimentato con miscele di idrogeno e metano, mediante simulazioni CFD condotte con il software Converge. Il crescente interesse verso combustibili alternativi a basse emissioni e l’utilizzo dell’idrogeno come vettore energetico sostenibile hanno spinto la comunità scientifica a investigare nuove strategie per la decarbonizzazione dei sistemi propulsivi. In questo contesto, l’RCEM si configura come un banco prova ideale per studiare in modo controllato i fenomeni legati alla combustione rapida, grazie alla sua capacità di replicare le condizioni termodinamiche dei motori a combustione interna mantenendo una geometria semplificata. Le simulazioni sono state condotte utilizzando una mesh adattativa e modelli dettagliati di cinetica chimica, con particolare attenzione all’effetto della variazione della composizione del combustibile. Sono state analizzate miscele con diverse frazioni molari di idrogeno (0,25 – 0,50 – 0,75 – 1,00), studiando parametri chiave quali la velocità di fiamma laminare, l’andamento della pressione in camera, la distribuzione della temperatura e la formazione dei principali prodotti di combustione. Un ulteriore contributo del lavoro riguarda il confronto tra i risultati numerici e le osservazioni sperimentali ottenute mediante sensori ottici ad alta velocità installati sul motore RCEM. L’analisi delle immagini ha permesso di validare qualitativamente l’evoluzione del fronte di fiamma simulato, evidenziando una buona coerenza con quanto osservato sperimentalmente, soprattutto in termini di morfologia e tempistica di accensione. I risultati evidenziano come l’aumento della frazione di idrogeno tenda a intensificare la reattività della miscela, portando a una combustione più rapida e a picchi di pressione più elevati. Ciò conferma l’elevato potenziale dell’idrogeno per applicazioni future nei motori a combustione interna, pur evidenziando la necessità di un controllo accurato del processo combustivo per evitare fenomeni di detonazione o stress meccanici eccessivi sui componenti.