Metals as energy carrier:Analysis of the turbulent fame frontof iron particle cloud combustion

La presente tesi analizza la combustione di nubi di particelle di ferro come possibile via per lo stoccaggio e la conversione di energia rinnovabile. Il ferro è considerato un vettore energetico promettente grazie alla sua elevata densità energetica volumetrica, alla grande disponibilità e alla possibilità di integrare il suo ciclo redox in un’economia circolare dell’energia. A differenza dei combustibili gassosi convenzionali o dei solidi volatili, la combustione del ferro è eterogenea: la fiamma si propaga attraverso una nube di particelle reattive, rendendo non immediata la definizione del fronte di fiamma. Per affrontare tale problematica, sono state sviluppate e testate procedure di post-processing finalizzate a individuare il fronte di fiamma nelle simulazioni numeriche di fiamme di ferro in propagazione, sia in condizioni laminari sia turbolente. La metodologia si basa su concetti propri delle fiamme turbolente premiscelate, per le quali sono note le correlazioni tra velocità di fiamma e superficie di fiamma, ed esplora la possibilità di trasferirli alla combustione eterogenea dei metalli. In particolare, sono state adattate tecniche di ricostruzione di interfaccia ispirate al metodo Volume of Fluid (VoF), al fine di identificare e quantificare la superficie di reazione a partire da dati di simulazioni basate su particelle. I risultati offrono un primo quadro della relazione tra l’intensità della turbolenza, l’evoluzione della superficie di fiamma e la velocità di propagazione della combustione del ferro. Dal confronto tra il comportamento delle nubi di particelle di ferro e i risultati consolidati relativi alle fiamme premiscelate, lo studio mette in evidenza al tempo stesso le potenzialità e i limiti dell’estensione della teoria classica della combustione turbolenta al caso dell’innesco eterogeneo del ferro.