Il codice HeaRT

Le competenze modellistiche e ingegneristiche del laboratorio, le infrastrutture sperimentali e diagnostiche dell’Unità cui il Laboratorio Processi per la combustione sostenibile afferisce, e le infrastrutture a elevato parallelismo disponibili sulla GRID ENEA (CRESCO), hanno permesso lo sviluppo di un codice CFD, denominato HeaRT (Heat Release and Turbulence), per la simulazione numerica non stazionaria (Large Eddy Simulation e Direct Numerical Simulation) di processi di combustione di miscele mono e multifase, in regime subsonico (Low Mach e comprimibile) e supersonico.

DNS, LES and RANSHeaRT implementa un’integrazione spaziale alle Differenze finite/Volumi finiti ad alto ordine, e un’integrazione temporale di tipo Runge-Kutta. Il codice è in grado di trattare geometrie 3D cilindriche e cartesiane multiblocco discretizzate su griglie strutturate. Le geometrie complesse sono trattate con la tecnica IVM (Immersed Volume Method), sviluppata in ENEA, ed è in fase di sviluppo una tecnica di mesh refinement per simulare, in tempi ragionevoli, domini di grandi dimensioni. Diversi modelli di sottogriglia, quali Fractal Dynamic Model, Dynamic Smagorinsky ecc. sono altresì disponibili. Le proprietà molecolari e di trasporto delle specie chimiche sono modellate accuratamente e gli schemi cinetici dettagliati sono in formato CHEMKIN.

Il box cui si rinvia qui di seguito sintetizza le principali caratteristiche del codice.

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HeaRTs key features

Finora sono stati condotti studi LES sulla combustione di gas naturale e combustibili idrogenati in condizioni sia diffusive che premiscelate, investigando anche nuove tecnologie quali la MILD Combustion. Altre applicazioni riguardano le miscele multifase nel settore energetico basato sull’uso del carbone (progetti nazionali finanziati dal Ministero dello Sviluppo Economico) e nel settore aerospaziale (progetti europei TIMECOP, LAPCAT II).

Il laboratorio collabora con i più importanti gruppi di ricerca nazionale del settore (Università di Roma Sapienza, Università Roma TRE, Università Federico II di Napoli, Politecnico di Milano) e con istituti di ricerca internazionali. In particolare si evidenziano le seguenti partecipazioni e collaborazioni:

  • Partecipazione in qualità di membro all’European Turbine Network (ETN) e coordinamento del gruppo di progetto: “Dynamics, Monitoring and Control of Combustion Instabilities in Gas Turbines”. La collaborazione riguarda anche la preparazione di proposte nell’ambito di HORIZONT 2020.
  • Collaborazione con ANSALDO ENERGIA sulla tematica: monitoraggio e identificazione delle instabilità termo-acustiche sull’impianto COMET-HP equipaggiato con la turbina a gas V64-3A.
  • Collaborazione con DLR (Stoccarda, DE) avente per oggetto: la validazione del codice HeaRT, simulando le instabilità termo-acustiche nel combustore PRECCINSTA, e la preparazione di proposte progettuali (Marie Curie ITN Project “Dynamics of Turbulent Flames in Gas Turbine Combustors Fired with Hydrogen-Enriched Natural Gas”).
  • Collaborazione con KAUST (King Abdullah University of Science and Technology, Arabia Saudita): porting del codice HeaRT sull’infrastruttura Shaheen (Blue Gene - 64000 cores) e simulazioni LES per studi di instabilitità termo-acustiche.

 

Le attività di simulazione e di sviluppo modellistico attualmente in corso sono:

Studio delle instabilità di combustione di tipo termo-acustico

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Thermo-Acoustic Instabilities in the PRECCINSTA Combustor
Verrà simulato un combustore precedentemente progettato, realizzato e studiato nel progetto Europeo PRECCINSTA. Si tratta di un bruciatore premiscelato metano/aria in condizioni magre e a pressione atmosferica. La simulazione comprenderà il plenum dell’alimentazione dell’aria, il bruciatore con le palettature, per generare lo swirl del flusso, la camera di combustione, il camino e parte dell’ambiente atmosferico in uscita. Per modellare la geometria complessa dell’intero combustore verrà utilizzata la tecnica IVM (Immersed Volume Method) sviluppata e già validata dal laboratorio Processi per la combustione sostenibile. Il dominio computazionale è costituito da circa 50M di nodi e le specie chimiche coinvolte nel processo sono 17.

 

Direct Numerial SimulationStudio dell’interazione tra turbolenza e combustione in fiamme premiscelate

Questa analisi verrà condotta per mezzo di una simulazione numerica diretta (DNS) di una fiamma premiscelata metano/idrogeno/aria con un bruciatore di tipo ‘slot’ a pressione atmosferica. Il dominio computazionale è costituito da circa 120M di nodi e le specie chimiche coinvolte nel processo sono 17. L’obiettivo di questo studio è quello di creare un caso test non presente in letteratura relativo a questa tipologia di miscela combustibile (Hydrogen Enriched Natural Gas) per la validazione di modelli di sottogriglia per LES.


Validazione di un nuovo modello LES di sottogriglia

Verranno condotte simulazioni LES del bruciatore di tipo ‘slot’, simulato in maniera diretta (DNS), utilizzando il modello di sottogriglia LTSM (Localized Turbulent Scale Model). I risultati della simulazione DNS costituiranno la base per la validazione del modello.

 

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Mesh Refinement in LES Compressible SolversValidazione di tecniche numeriche

È in corso lo sviluppo di una tecnica per l’integrazione numerica di un dominio costituito da zone affiancate e caratterizzate da forti variazioni di risoluzione spaziale. L’obiettivo è quello di aumentare l’efficienza di calcolo e l’accuratezza spaziale del codice HeaRT dove richiesto. La validazione della tecnica verrà condotta mediante la simulazione di una fiamma non premiscelata di syngas ed aria a pressione atmosferica.


Estensione del codice HeaRT a flussi supercritici

Verrà implementata nel codice la parte relativa alla modellazione delle proprietà di trasporto di gas in condizioni supercritiche. L’obiettivo è quello di poter simulare processi di ossi-combustione di gas naturale in cicli turbogas avanzati che utilizzano la CO₂ supercritica come fluido di lavoro. Saranno condotte simulazioni per la validazione dei modelli implementati.

Il parallelismo implementato in HeaRT è basato sul paradigma Message Passing (MPI) per rendere il codice eseguibile su tutte le architetture H/W e S/W disponibili sul mercato dell’HPC. Il Domain Decomposition 3D è realizzato mediante un algoritmo genetico che ricerca ed attua la decomposizione sub-ottima del dominio.  Il codice mostra buone performance di scaling.

Il box cui si rinvia qui di seguito mostra le performance del codice.

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HeaRTs Performance

Principali pubblicazioni

  • Large Eddy Simulation of the Hydrogen Fuelled Turbulent Supersonic Combustion in an Air Cross-Flow, D. Cecere, A. Ingenito, E. Giacomazzi, C. Bruno, Shock Waves, Springer, accepted on 13 September 2012, vol./issue 23/5 pp. 481-494, 2013 (online on 18 June 2013).
  • Hydrogen/Air Supersonic Combustion for Future Hypersonic Vehicles, D. Cecere, A. Ingenito, E. Giacomazzi, C. Bruno, International Journal of Hydrogen, Elsevier, 36(18):11969-11984, 2011.
  • A Non-Adiabatic Flamelet Progress-Variable Approach for LES of Turbulent Premixed Flames, D. Cecere, E. Giacomazzi, F.R. Picchia, N. Arcidiacono, F. Donato, R. Verzicco, Flow Turbulence and Combustion, Springer, 86/(3-4):667-688, 2011.
  • Shock / Boundary Layer / Heat Release Interaction in the HyShot II Scramjet Combustor, D. Cecere, A. Ingenito, L. Romagnosi, C. Bruno, E. Giacomazzi, 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Nashville, Tennessee, USA, 25-28 July 2010.
  • Numerical Study of Hydrogen MILD Combustion, E. Mollica, E. Giacomazzi, A. Di Marco, Thermal Science, Publisher Vinca Institute of Nuclear Sciences, 13(3):59-67, 2009.
  • Unsteady Simulation of a CO/H2/N2/Air Turbulent Non-Premixed Flame, E. Giacomazzi, F.R. Picchia, N. Arcidiacono, D. Cecere, F. Donato, B. Favini, Combustion Theory and Modeling, Taylor and Francis, 12(6):1125-1152, December 2008.
  • Miniaturized Propulsion, E. Giacomazzi, C. Bruno, Chapter 8 of "Advanced Propulsion Systems and Technologies, Today to 2020", Progress in Astronautics and Aeronautics Series, vol. 223, Edited by Claudio Bruno and Antonio G. Accettura, Frank K. Lu, Editor-in-Chief, Published by AIAA, Reston, Virginia, 2008 (founded on work of the ESA project "Propulsion 2000”).
  • A Review on Chemical Diffusion, Criticism and Limits of Simplified Methods for Diffusion Coefficients Calculation, E. Giacomazzi, F.R. Picchia, N. Arcidiacono, Comb. Theory and Modeling, Taylor and Francis, 12(1):135-158, 2008.
  • The Coupling of Turbulence and Chemistry in a Premixed Bluff-Body Flame as Studied by LES, E. Giacomazzi, V. Battaglia, C. Bruno, Combustion and Flame, The Combustion Institute, vol./issue 138(4):320-335, 2004. Third in the TOP 25 (2004) of Comb. and Flame. Abstracted in Aerospace & High Technol. CSA Database: http://www.csa.com.
  • Fractal Modelling of Turbulent Combustion, E. Giacomazzi, C. Bruno, B. Favini, Combustion Theory and Modelling, Institute of Physics Publishing, 4:391-412, 2000. The most downloaded in year 2000 (electronic format from IoP web-site).
  • Fractal Modelling of Turbulent Mixing, E. Giacomazzi, C. Bruno, B. Favini, Combustion Theory and Modelling, Institute of Physics Publishing, 3:637-655, 1999.