Indagine modellistico-termofluidodinamica orientata all’analisi dell’interazione flusso premiscelato-fiamma pilota in un combustore per Turbogas in impianti di potenza

1. Relazione finale svolgimento tesi ENEA
Laurea Specialistica in Ingegneria Aerospaziale e Astronautica
Università degli Studi di Napoli FEDERICO II
Laureato Diego SCARPA
Relatore universitario Prof. Ing. Annamaria RUSSO SORGE
Correlatore (Enea) Ing. Giovanni CAVALIERE
Correlatore (Enea) Dott. Ing. Carmine MONGIELLO
Titolo tema: Indagine modellistico-termofluidodinamica orientata all’analisi dell’interazione flusso
premiscelato-fiamma pilota in un combustore per Turbogas in impianti di potenza
Titolo tesi: Indagine modellistico-termofluidodinamica orientata all’analisi dell’interazione flusso
premiscelato-fiamma pilota in un combustore per Turbogas in impianti di potenza
Codice tesi 871
Voto 106/110
Data discussione 23/09/2010
Giudizio sintetico Ottimo
Premessa
Ai nostri giorni circa il 90% dell’energia prodotta in tutto il mondo deriva da processi di combustione.
Gli studi sulla combustione in campo industriale hanno conosciuto, in tempi recenti, una crescita molto
rapida, che ha rappresentato la risposta ad altrettanta domanda. Tale aumento di domanda è
direttamente connesso all’aumento dell’inquinamento ambientale indotto da tali processi, inquinamento
che, oggigiorno, ha raggiunto proporzioni che potrebbero essere definite allarmanti. Allo scopo di
contenere le emissioni inquinanti e al contempo migliorare i rendimenti dei processi volti alla
produzione di energia, gli studi nel settore della combustione, come ad esempio i problemi connessi al
controllo della stabilità di fiamme turbolente, hanno assunto un ruolo quasi centrale nel contesto del
panorama scientifico legato alla fluidodinamica. La natura di queste ricerche si è differenziata ed
articolata in varie branche e, nel caso specifico, la fluidodinamica computazione (CFD) sta
rappresentando un valido supporto alle tecniche sperimentali in uso nel processo di investigazione sulle
metodiche di processo. Nell’ultimo decennio, inoltre, la modellazione della cinetica chimica è divenuta
sempre più un importante strumento nell’analisi dei sistemi di combustione. La disponibilità di sempre
maggiori dati elementari, il miglioramento delle tecniche per quantificare i tassi di reazione, lo sviluppo
di efficienti tecniche di risoluzione delle equazioni algebriche presenti in forma differenziale e la
continua crescita delle prestazioni e delle capacità dei moderni calcolatori hanno contribuito
all’incremento dell’applicazione dei modelli di cinetica chimica. Tra l’altro alcuni problemi cinetici, in
particolare l’ossidazione dei combustibili di uso comune in flussi turbolenti, richiedono anche una
grande quantità di esperimenti e verifiche. Gli studi alle alte temperature di combustione sono
complicati dal fatto che i tempi caratteristici sono molto piccoli, spesso dell’ordine dei microsecondi.
Anche le dimensioni spaziali, però, sono molto piccole, rendendo perciò gli studi sperimentali
particolarmente difficili, ragion per cui la scelta di uno studio di carattere fluidodinamico-numerico in
un’ottica di sviluppo modellistico - progettuale assume un ruolo di rilievo per una ricerca di tipo
preliminare.

2. Attività prodotta
Nei moderni impianti di potenza la produzione di energia elettrica viene ottenuta attraverso la
conversione di quella meccanica fornita da un motore primo, in genere costituito da una turbina a gas
che riceve impulso dagli effluenti di una camera di combustione. In queste macchine generatrici è
frequente l’uso di combustibile gassoso, in generale gas naturale. Poiché l’esercizio di tali impianti
spazia su un ampio range di carico, le prestazioni degli impianti risultano fortemente subordinati alle
condizioni operative e/o di funzionamento. Altresì il rispetto delle vigenti normative sull’inquinamento,
che stanno divenendo sempre più restrittive, ne limita ulteriormente le possibilità di utilizzazione,
ragion per cui, scelto un determinato tipo di alimentazione, per ciascun combustibile sono richiesti
requisiti prestazionali ben specifici, anche relativamente all’impatto ambientale. Comunque, a tutt’oggi,
le turbine operano, principalmente, con combustibili di tipo fossile poiché esso rappresenta, per ora,
l’unica strada tecnologicamente percorribile ed economicamente sostenibile. Ciò comporta la necessità
di cercare di ottimizzarne il funzionamento attuando tutti gli accorgimenti finalizzati a renderne
ecocompatibili le prestazioni, questo per lo meno fin quando non disporremo di altre fonti energetiche
in grado di essere gestite in maniera accurata. Recentemente le società costruttrici di TG operano
nell’ottica di analizzare attentamente le fenomenologie che si realizzano all’interno dei singoli
componenti di impianto; ancor più maggiore attenzione è data per ciò che concerne il funzionamento
delle camere di combustione. Infatti, approntando soluzioni geometriche sostanzialmente poco dissimili
tra loro, in taluni casi differenziandosi solo in alcune parti costitutive, si analizza il comportamento di
insieme ricorrendo alla progettazione termofluidodinamica della macchina generatrice in quanto si
sono raggiunti costi estremamente contenuti. Se si tiene presente la classica situazione di uno spray
combustibile, ove si è nel caso di un liquido nebulizzato direttamente all’interno del flusso d’aria
comburente, a sua volta suddiviso in aria primaria e secondaria, attualmente la filosofia di costruzione
delle camere di combustione prevede che comburente e combustibile si trovino completamente
miscelati tra loro attraverso degli appositi componenti, i vorticatori altrimenti detti turbolatori, che
successivamente, a seguito dell’interazione con una fiamma pilota, adeguatamente dimensionata allo
scopo di innescare il processo chimico reattivo, producono reazioni quanto più possibile esotermiche,
in linea teorica. In definitiva, è divenuto indispensabile concentrare l’attenzione sul ruolo tenuto sia
dalle fiamme a diffusione, che da quelle premiscelate ed in particolare approfondire la loro reciproca
interazione. Un approccio di carattere predittivo che si fondi sull’analisi di tipo numerico - modellistico
ha richiesto un allestimento di opportuni set di simulazioni di processo orientate alla corretta
rappresentazione fenomenologica del problema in esame. Il caso specifico ha comportato la
suddivisione in due parti del problema: il corpo miscelatore, al fine di individuare i parametri
caratteristici del flusso premiscelato e la loro distribuzione sulla superficie, e la fiamma pilota, vista
come organo di governo del processo di ignizione e di sostegno per il mantenimento di condizioni di
stabilità della fiamma. A tal proposito, lo studio ha un carattere interdisciplinare, dalla numerica, alla
chimica, alla fluidodinamica, alla termomeccanica.
Metodologia adottata
Una simile situazione ha richiesto l’acquisizione di competenze fuori settore, ovverosia la cinetica
chimica, come strumento per la modellazione dei flussi reagenti intesi quali sia il flusso premiscelato
che quello pilota a diffusione. Altresì, ci si è avvalsi di una modellistica numerico - funzionale avanzata
quale il modello flamelet, che oltre ad appoggiarsi su una chimica efficiente richiede griglie ad hoc che
nel nostro caso sono state sottoposte a criteri di adatti vita in funzione dei gradienti delle specie
reattive. Un ulteriore approccio di tipo statistico è stato adottato nel contesto dell’analisi dei risultati del
processo di miscelamento al fine di caratterizzare significativamente l’intera elaborazione.

3. Risultati
Si è pervenuti alla definizione di un ulteriore criterio di convergenza per il trasporto di scalari passivi
nel contesto dello studio del processo di miscelamento. Tale informazione ha costituito la base per
andare a modellare il fenomeno di interazione tra il flusso premiscelato e quello pilota, quest’ultimo
visto come un conferito di carico termico per l’ignizione. Per quanto concerne il funzionamento con
gas naturale, dato altrettanto interessante è quello che ci è giunto dalla caratterizzazione della fiamma
pilota che, come stabilizzatore di processo, determina una posticipazione del luogo di completa
accensione, spostando in avanti il punto di massima temperatura e garantendo, quindi, condizioni di
maggiore sicurezza. Quanto riscontrato si ritrova nel confronto con i dati sperimentali provenienti dalle
prove condotte in ENEA. Un approccio così semplificato ci ha consentito di pervenire a determinare le
fluttuazioni di pressione per ciò che attiene gli ordini di grandezza, all’interno del combustore.
Quanto evidenziato nel corso della disamina condotta ha mostrato in maniera indiscutibile la capacità
della fiamma in questione di avere comportamenti adeguati ad essere di sostegno, quale pilota, a
processi termochimici finalizzati all’innesco di reazioni in flussi adiacenti. Infatti analizzando lo
sviluppo delle caratteristiche termoconduttive e di produzione di calore, sono tali per cui un eventuale
flusso premiscelato, in condizioni normali, la possibilità di autosostentarsi a fronte di una situazione
termofluidodinamica di equilibrio. Certamente, in una prospettiva di resetting della geometria al fine di
ottimizzare il processo di reazione nel caso di combustibile convenzionale, sembrerebbe opportuno
intervenire apportando delle modifiche all’apparato di iniezione in quanto una minore vorticità
all’imbocco permetterebbe al fronte di fiamma di allungarsi senza determinare instabilità derivanti da
gradienti di temperatura troppo intensi oppure flussi dissipativi viscosi che impoverirebbero il
contenuto entalpico della corrente. Altresì una possibile e quanto mai sostenibile variazione dei
parametri d’ingresso (velocità e swirling) offrirebbe una possibilità di garantire un profilo di
trasmissione di calore quanto più orientato verso il flusso adiacente oppure, più in generale, con
caratteristiche termiche di maggior rilievo. Lo studio condotto ha raggiunto il suo obiettivo che
consisteva sostanzialmente nella modellazione parametrica delle caratteristiche prioritarie della fiamma
pilota. La carenza, in quanto impianto in fase di sperimentazione, di dati empirici ha limitato la
possibilità di operare una discriminazione nella scelta dello schema cinetico che si rivelasse più
efficiente. Tuttavia tale discriminante appare assolutamente necessaria, sul diverso comportamento di
flussi premiscelati al variare dello schema cinetico. Di fatto, stante le caratteristiche dell’impianto da
realizzare, purtroppo esigenze a seconda che si lavori con SG o NG non sono conciliabili. Infatti se nel
caso di utilizzo di NG si è in presenza di flussi premiscelati per cui viene richiesto un profilo quanto
più lungo e piatto possibile, d’altro canto il SN che si accende a diffusione richiede, stante le portate
più elevate dello stesso SN per mantenere la costanza della potenzialità termica, temperature in
prossimità dell’imbocco più alte. In definitiva sembrerebbe opportuno un intervento di re-scaling
dell’intera macchina generatrice al fine di omogeneizzare i requisiti. Varie sono le sono le soluzioni che
si prospettano, sia di carattere costruttivo che fluidodinamiche, per cui se ne suggerisce una revisione di
maggior dettaglio.
Giudizio
L’allievo Scarpa ha dimostrato qualità ottime sia sul piano relazionale che cognitive. Interessante sono
risultate le capacità di sviluppo e riutilizzazione delle informazioni e delle competenze acquisite sia in
campo fluidodinamico che numerico.