Modellazione e simulazione numerica avanzata CFD di processi

La modellistica e la simulazione numerica hanno un ruolo importante nella progettazione e nello studio delle tecnologie energetiche. Anche l’industria investe sempre di più negli strumenti di simulazione, grazie alla rapida evoluzione tecnologica nel settore del calcolo avanzato che permette di eseguire studi in tempi compatibili con le esigenze della progettazione.
Tale tecnologia, applicata ai processi combustivi, con finalità quali la simulazione di cicli e di processo, la progettazione di componenti e l’analisi delle prestazioni degli stessi in termini di rendimento, di emissioni e comportamento durante la fase operativa, nonché la predizione delle concentrazioni di inquinanti e lo studio dei fenomeni non stazionari, rappresenta uno dei temi principali di ricerca del Laboratorio Processi per la Combustione Sostenibile.
La predizione di fenomeni non stazionari e di transitori, in particolare, è un tema di grande interesse industriale in quanto tali fenomeni  possono condurre a rotture di componenti, alla perdita di efficienza del processo e all’aumento della produzione di inquinanti. 

Uno dei temi principali affrontati attraverso la simulazione numerica è lo studio delle instabilità di combustione, la cui predizione e controllo sono particolarmente strategici nella gestione di impianti turbogas per la produzione di energia elettrica. Tale importanza deriva dal fatto che la tecnologia di combustione premiscelata magra (o prevaporizzata nel caso di combustibili liquidi), adottata nelle macchine turbogas per garantire basse temperature di ingresso in turbina e bassi livelli di inquinanti, tende a instabilità termo-acustiche, anche dette operative per i loro dannosi effetti sull’operatività della macchina, la sua affidabilità e disponibilità. Queste instabilità consistono in fluttuazioni di pressione che derivano dall’accoppiamento tra le fluttuazioni del rilascio di calore e l’acustica del sistema. Possono indurre fenomeni di ritorno di fiamma ed estinzione, vibrazioni di elementi meccanici, e, nel caso peggiore, possono danneggiare la macchina.

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Combustion dynamics
Nel prossimo futuro si prevede che il problema delle instabilità termo-acustiche diventi ancor più importante. Ciò, in primo luogo, a causa dell’aumento della flessibilità e variabilità del combustibile, dovuti al crescente interesse in combustibili alternativi (syngas, biomasse, gas naturale liquido, shale gas) e alla crescente internazionalizzazione del commercio di gas naturale; secondariamente per il crescente bisogno di flessibilità a variazioni di carico nell’esercire i turbogas, imposto dal crescente uso di fonti rinnovabili nella rete elettrica.
Fonte possibile di instabilità termo-acustiche può essere anche l’uso di combustibili alternativi quali le miscele idrogenate. Questo tipo di miscele oggi riscuotono un forte interesse, sia per i grossi investimenti sulle tecnologie CCS (Carbon Capture and Storage) che per la crescente accettazione del concetto Power2Gas come via per immagazzinare energia elettrica in eccesso da fonti rinnovabili (ad esempio, produzione di H2 per via elettrolitica utilizzando la corrente prodotta dagli impianti eolici di notte). Parlando delle tecnologie CCS, è da notare che anche la combustione oxy-fuel, in cui il combustibile è bruciato in un ossidante privo di azoto (ad esempio, miscele O2/CO2), tende a mostrare instabilità termo-acustiche, per giunta diverse da quelle della combustione in aria.

Fenomenologia-combustione

 Il settore della combustione è ancora un campo aperto di ricerca per la modellistica, essendo la combustione un processo estremamente complesso, che coinvolge inscindibilmente la fisica e la chimica.

Le attività del laboratorio sono quindi rivolte allo sviluppo di modelli fisico-matematici e chimici sempre più raffinati per incrementare le capacità predittive di codici CFD. Necessari supporti allo sviluppo modellistico ed alla simulazione numerica sono le attività sperimentali e di diagnostica svolte dal Laboratorio sui propri impianti (v. Sviluppo di diagnostica avanzata OCD e Tecnologie della combustione), per validare i modelli con campagne di misura mirate, e strumenti H/W e S/W di calcolo parallelo resi disponibili dall’infrastruttura ENEA HPC CRESCO.

Sviluppo-modelli-ingrandisciGli strumenti CFD utilizzati per lo studio dinamico dei processi combustivi sono i codici ANSYS-FLUENT, CHEMKIN, OpenFOAM e HeaRT®. HeaRT® è il codice proprietario sviluppato dal laboratorio COMSO basato sull’approccio modellistico LES/DNS, in grado di simulare flussi comprimibili turbolenti, mono e multifase, reattivi e non reattivi, subsonici e supersonici in geometrie 3D. HeaRT® è un codice parallelo sviluppato in FORTRAN 95 secondo il paradigma “Domain Decomposition 3D”, e implementato tramite il linguaggio MPI per permetterne una elevata portabilità su tutte le architetture parallele disponibili sulla GRID ENEA. Nel corso di questi ultimi anni il codice è stato arricchito di diversi modelli di cinetica chimica e di algoritmi numerici per trattare condizioni al contorno non previste nei codici commerciali.

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HeaRT's LES applications

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Ansys-Fluent's LES/RANS Applications

Referente:
F. R. Picchia,