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Combustione in micro-turbine a gas

L’utilizzo di simulatori numerici nel campo dei sistemi stazionari per la conversione di energia ha diverse motivazioni in quanto consente al ricercatore di:

• ottenere informazioni più complete ed esaustive attraverso il confronto fra dati sperimentali e risultati delle simulazioni numeriche;
• estendere il campo operativo delle macchine a condizioni di prova ritenute critiche o non sicure per l’impianto;
• approfondire scenari innovativi in termini di scelte impiantistiche (sistemi integrati) e/o adozione di combustibili alternativi, senza alcun rischio per l’impianto sperimentale;
• individuare soluzioni tecnologiche innovative sia in termini di schema d’impianto che dei singoli componenti.

In particolare, all’interno delle attività previste nei progetti cui partecipa l’Istituto Motori, lo studio del comportamento di micro turbine a gas nell’ambito di sistemi integrati per la generazione distribuita di energia non può prescindere dall’adozione di differenti simulatori numerici: attraverso modelli termodinamici e simulazioni stazionarie 0D di matching fra i componenti, è possibile valutare i domini operativi delle macchine e verificarne flessibilità e versatilità al variare dei combustibili utilizzati e delle scelte impiantistiche adottate; simulazioni CFD 2D o 3D del combustore permettono poi di studiare in maniera approfondita le complesse problematiche e le criticità del processo di combustione introdotte dall’adozione di combustibili alternativi, siano essi syngas o biocombustibili liquidi.
Per le simulazioni numeriche 0D sono utilizzati codici di calcolo non commerciali, mentre per le simulazioni CFD 2D e 3D sono utilizzati i software commerciali presenti nel pacchetto ANSYS: Fluent e CFX.
Per quanto concerne le simulazioni CFD 2D e 3D della camera di combustione delle turbine a gas, di grande importanza è l’individuazione dei modelli di turbolenza e combustione, nonché dei meccanismi di cinetica chimica più adatti alla tipologia del caso oggetto di studio, al variare sia della geometria che del combustibile (se liquido o gassoso, se tradizionale o alternativo, come biocombustibili liquidi derivati da oli vegetali o syngas e miscele di metano/idrogeno).

Profili di velocità, combustore della micro turbina a gas Turbec T100 in configurazione di alimentazione con combustibili liquidi

Ottimizzazione delle prestazioni energetiche ed ambientali di motori termici

Lo studio mediante tecniche numeriche di motori a combustione interna ad accensione comandata è in linea con le più recenti tendenze di sviluppo di tali motori, che preferiscono l’iniezione diretta di benzina alla iniezione nei condotti di aspirazione, in conseguenza dei numerosi benefici che quale tecnologia è in grado di offrire. L’attività di simulazione del funzionamento di motori GDI ha condotto alla messa a punto di sotto-modelli estremamente predittivi della dinamica di spray di combustibile in camera di combustione e delle prestazioni energetiche ed ambientali nella modalità di alimentazione di tipo misto, a carica omogenea o stratificata e globalmente povera. La sinergia tra le attività di carattere numerico e la sperimentazione condotta su motori otticamente accessibili è stata particolarmente utile ai fini della caratterizzazione delle fasi iniziali di combustione e dell’influenza della strategia d’iniezione sull’emissione di potenza e sulla formazione d’inquinanti, nonché per l’individuazione di condizioni per le quali si verificano combustioni anomale.

La modellazione termo-fluidodinamica segue classici approcci CFD (computational fluid dynamics) basati sull’integrazione delle equazioni di Navier Stokes mediate secondo Reynolds, cui vengono aggiunti opportuni modelli di chiususra per la turbolenza e schemi per la previsione dei termini sorgente dovuti alla cinetica chimica di reazione. La cinetica di prefiamma responsabile della eventuale accensione spontanea della cosidetta zona di end-gas della miscela è studiata ricorrendo a schemi cinetici di tipo lumped e mediante riduzione dei cammini di reazione, cioè raggruppando specie chimiche con comportamento analogo e trascurando reazioni aventi minore influenza sul processo ai fini di una consistente riduzione dell’onere computazionale.

Propagazione della fiamma: densità superficiale di fiamma calcolata numericamente (in alto) su due piani ortogonali con la presenza di una sacca posta sul lato iniettore (freccia rossa) dove è elevata la probabilità di detonazione in accordo con immagini raccolte su un motore otticamente accessibile (in basso)

L’accoppiamento di modelli CFD con algoritmi di ottimizzazione multi-obiettivo ha inoltre il miglioramento delle prestazioni energetiche e ambientali dei sistemi di combustione per l’autotrazione mediante formulazione e soluzione di opportuni problemi customizzati alla specifica applicazione considerata.

Esempio di ottimizzazione multi-obiettivo per carica stechiometrica: min NO, min HC, assenza di detonazione

Dinamica di spray e impatto su parete riscaldata

La modellistica multidimensionale della dinamica di spray liquidi in atmosfera gassosa consente di ottenere informazioni molto dettagliate che si rivelano particolarmente utili per la progettazione ottimale dei sistemi di iniezione suscettibili di impiego nei motori a combustione interna.

La simulazione di spray diesel ad elevata pressione da iniettori di nuova generazione riveste una particolare importanza anche in virtù del coinvolgimento dell’Istituto Motori nell’ambito dell’Engine Combustion Network (ECN). Le simulazioni numeriche eseguite su diverse configurazioni di iniettori rappresentano uno strumento utile per lo sviluppo del sistema di iniezione in fase prototipale. La validazione dei sotto-modelli è effettuata sulla base di dati raccolti nell’ambito di esperimenti mirati condotti eseguiti presso il Laboratorio spray dell’Istituto e all’interno del circuito ECN, in serbatoi otticamente accessibili, nei quali si realizzano condizioni controllate di temperatura e pressione. L’evoluzione spazio-temporale di spray Diesel ad elevata pressione in condizioni che riproducono quelle motoristiche, caratterizzata mediante tecniche Schlieren e/o Mie scattering, può essere confrontata con le previsioni numeriche in termini di distribuzione di liquido e di vapore. Ad esempio, la figura mostra il confronto numerico-sperimentale relativo ad uno spray Diesel iniettato alla pressione di 180 MPa da un iniettore monoforo disposto assialmente.

Evoluzione di uno spray Diesel alla pressione di iniezione di 180 MPa: risultati numerici (prima e terza riga) e immagini sperimentali (seconda e quarta riga) per iniettore a singolo foro disposto assialmente

Per quanto riguarda i motori ad accensione comandata, è ben noto che di recente l’iniezione diretta viene considerata come la tecnologia più efficace per realizzare in maniera ottimale la formazione della miscela aria-combustibile in ciascuna condizione di funzionamento del motore, attraverso la cosiddetta stratificazione della carica intorno agli elettrodi della candela, ovvero per creare una miscela omogenea stechiometrica o leggermente ricca ai carichi più elevati. L’impatto di uno spray sulle pareti pistone o cilindro provoca la formazione di un film liquido (wallfilm) e la cosiddetta atomizzazione secondaria di goccioline. Il wallfilm può non avere dimensioni trascurabili, soprattutto nei casi in cui la formazione della miscela è realizzata sotto una modalità parete guidata

Studi dettagliati in Istituto Motori sono focalizzati sulla caratterizzazione dei due spray fori singoli e spray multi-foro nel loro impatto su piatti freddi o caldi. 3D CFD GDI spruzzare sotto-modelli sono valutati basandosi su dati sperimentali raccolti nelle campagne correttamente realizzati, con la portata della loro domanda entro simulazioni numeriche di interi cicli motore funzionante. Uno spray libera sub-modello di alta portabilità è stata sviluppata all’interno dell’ambiente AVL FireTM, adatto per essere applicato per i diversi iniettori, mentre uno spray-parete impingement sub-modello ha reso evidenti i fenomeni del spruzzi di benzina e di deposizione su pareti riscaldate.

Nucleazione e crescita di aerosol antropogenici

Gli aerosol, particelle di dimensioni variabili dal nanometro a diversi micron in sospensione in un gas, sono ubiquitari in atmosfera e suoi costituenti. Dal 2005 presso il Laboratorio Laser e di Spettrometria di Massa dell’Istituro Motori si svolgono studi che si propongono di contribuire alla comprensione della formazione di nuove particelle atmosferiche di origine antropica, monitorando la nucleazione da fase gassosa in esperimenti da laboratorio e, contemporaneamente, studiando struttura ed energetica dei cluster, possibili “seed” di nucleazione.

La spettrometria di massa a tempo di volo, combinata con fascio supersonico e fotoionizzazione accordabile nell’ultravioletto da vuoto vicino alla soglia di ionizzazione (SPI o Single Photon Ionization), è il metodo utilizzato per lo studio dei cluster precursori degli aerosol.

Le principali caratteristiche della ionizzazione intorno a soglia, con energia della radiazione accordabile nel campo 7-12 eV, sono di a) ridurre la frammentazione dei complessi molecolari debolmente legati, e b) consentire una spettroscopia (selettiva) di ionizzazione.

Sono investigati cluster di sostanze organiche in cui prevale un legame tipo van der Waals oppure legami idrogeno, presenti negli aggregati di sostanze organiche con molecole d’acqua, importanti perché possibili precursori  di aerosol atmosferici. Studi di modellistica quanto-meccanica sono condotti a supporto alle attività sperimentali, per investigare la struttura e l’energetica di cluster, nonché meccanismi di dinamica molecolare conseguenti il processo di fotoionizzazione.

Sono inoltre in corso esperimenti sul doping di molecole con sodio per la realizzazione di sizer di aerosol ultrafini basati su ionizzazione UV e spettrometria di massa.

Il metodo di Na-doping consiste nel legare un atomo di sodio ai complessi molecolari in esame. Ne risulta un notevole abbassamento del potenziale di ionizzazione dei complessi, determinato dalla presenza del sodio, e quindi una ionizzazione quasi fragmentation-free utilizzando sorgenti laser UV convenzionali.

Lo scopo è migliorare la rivelazione degli aerosol per consentire  uno studio mirato dell’influenza di emissioni antropogeniche sulla formazione di aerosol in atmosfera.

Fotoionizzazione VUV-SPI  di cluster di toluene: dal confronto delle curve di fotoionizzazione ed i risultati dei calcoli DFT su probabili strutture di cluster stacked e not-stacked è stato dedodotto un meccanismi di crescita di tali cluster in cui i dimeri sono i “seed” più probabili della nucleazione.

Processi di fotoionizzazione in cluster idrati. L’addizione dall’acqua all’aggregazione di cluster può avere effetti significativi: le tipiche serie di elevata stabilità rivelate negli spettri di massa dei cluster di eteri  con H₂O sono conseguenti a meccanismi di proton transfer multipli per cui, in seguito alla fotoionizazione, il cluster si riadatta consentendo ad un protone di migrare prima tra molecole dell’etere e successivamente all’acqua a cui si lega formando un core stabile H₃O⁺_.

Tipica distribuzione  di massa di cluster di acqua drogati con sodio. 

Apparato sperimentale SPI/MB/TOFMS (Single Photon Ionization, Molecular Beam /Time of Flight Mass Spectrometer) presso il Laboratorio Laser e di Sprettrometria di Massa dell’Istituto Motori.

COLLABORAZIONI:

• National Institute of R&D of Isotopic and Molecular Technology Cluj-Napoca, Romania
• Dip. di Ingegneria Chimica, dei Materiali e delle Produzioni Industriali, Universita’ di Napoli Federico II, Napoli
• Dip Chimica, Universita’ di Napoli Federico II, Napoli

Tecniche di fluidodinamica computazionale

Nanostrutture e fluidi complessi impieganti nanomateriali, X-ray e Light Scattering

Nanomateriali 1D di tipo organico (carbon nanotubes) e inorganico (Zn e bismuth nanotubes) sono sintetizzati nel laboratorio di Aerosol e Nanostrutture dal 2003.

Vengono impiegati per la sintesi set-up progettati e costruiti nel laboratorio consistenti in reattori in flusso che implementano sintesi di tipo Chemical Vapour Deposition, per le nanostrutture 1D, ed Evaporazione / Nucleazione in flusso di gas inerte, per le nanoparticelle aerosol.

I metodi di caratterizzazione sono SEM, TEM, XRD, SAXS, NEXAFS, XPS, ADB, DRIFTS.

                       Nanotubi di Zinco (TEM)                                                 Nanofili di Bismuto (SEM)

Nello stesso laboratorio è stata svolta nel 2005 attività di consulenza per FERRARI S.p.A. sul tema “Nanofluidi” in merito a liquidi refrigeranti ad alte prestazioni per motori da competizione.

È stata messo a punto negli anni un set-up per la misurazione della conducibilità termica e della diffusività termica di oli lubrificanti e di sospensioni bifase liquido-solido a matrice liquida con inclusioni solide a scala nanometrica.

Esempio di determinazione della conducibilità termica con il set-up disponibile presso il laboratorio Aerosol e Nanostrutture

Un’altra attività dello stesso gruppo Aerosol e Nanostrutture riguarda la simulazione di modelli Monte Carlo di Trasporto Fononico, utili a ricavare i campi di temperatura in transitorio nelle nanostrutture.

a sinistra) andamento in transitorio della temperatura in una struttura a  parallelepipedo di sezione 20 x 20 nm e lunghezza 400 nm;

a destra) una struttura 1D di zinco sintetizzata negli esperimenti.

L’attività sperimentale di applicazione di tecniche di radiazione X di sincrotrone è svolta presso le facility ESRF (Grenoble), SOLEIL (Parigi), ELETTRA (Trieste).

I temi di ciascun esperimento riguardano: studio di processi di combustione, applicazione di agenti chimici soppressori di soot in fiamma, plasma e ark discharge, fotoemissione e assorbimento di nanomateriali e nanoparticelle.

Le tecniche ad oggi implementate dal gruppo Aerosol e Nanostrutture insieme ai partner di CNRS UMR 6251 (Rennes), di CEA (Paris) e dell’Università di Tel Aviv sono state:

• Scattering di  Piccolo Angolo a Raggi X (SAXS) a ESRF;
• Assorbimento vicino alla soglia di struttura fine a raggi X (NEXAFS) a SOLEIL;
• X ray Absorption Spectroscopy (XAS) a SOLEIL;
• Scattering di Piccolo Angolo a Neuroni (SANS) presso Appleton Laboratory ISIS Oxford

Set-up realizzato a ESRF beamline ID02

Elaborazione di misure SAXS in fiamma

Misure NEXAFS su materiali carboniosi

Le attività del laboratorio Aerosol e Nanostructures trovano naturale interesse tecnologico e industriale nel controllo della manifattura di nanomateriali, oli e refrigeranti ad alte prestazioni, strutture polimeriche e impasti di gomme contenenti nanoinclusioni a stato solido, vernici protettive e coating anti-wear, strutture e dispositivi per l’accumulo del calore.

COLLABORAZIONI:

• Institute of Chemical Kinetics and Combustion-Russian Academy of Science (Novosibirsk)
• Institute of Physics – CNRS UMR 6251 Université de Rennes I (Rennes)
• Combustion Physics Division, University of Lund (Lund)
• Beijing Institute of Technology (BIT), Institute of Materials Science and Engineering

Affidabilità dei Sistemi di Propulsione

L’affidabilità, ossia l’attitudine di un prodotto ad operare correttamente per un dato tempo ed in specifiche condizioni operative, è uno dei principali indici di performance dei mezzi di trasporto e dei relativi sottosistemi, tra cui il motore. L’importanza di tale indice di performance è cresciuta enormemente negli ultimi anni, causa la sempre più diffusa globalizzazione del mercato dei mezzi di trasporto.

Con specifico riferimento al sistema di propulsione, bisogna sottolineare che esso è sempre più complesso per la presenza di sistemi di controllo elettronico finalizzati al rispetto dei sempre più severi standards di riduzione delle emissioni inquinanti e di aumento dell’efficienza energetica del processo di combustione, nonché al miglioramento della sicurezza passiva ed attiva ed all’aumento del confort d’uso del veicolo.

Inevitabilmente, quanto più complesso è un sistema tanto più difficile è conseguire quei target di affidabilità imposti dal mercato, target da assicurare fin dall’inizio del processo di produzione. E tanto più complesse sono le metodologie atte a valutare e predire accuratamente l’affidabilità di un dato prodotto tecnologico.

L’Istituto promuove nel settore un’attività integrata per rispondere alla crescente richiesta di ricerca scientifica e di sviluppo tecnologico che viene dalla società civile e dall’industria nazionale: tra queste attività si possono annoverare lo sviluppo di specifici modelli stocastici di nuova generazione per la modellazione dei processi di guasto di sistemi riparabili complessi, per la modellazione di fenomeni di degrado (quali l’usura, la corrosione, la fatica,…) e per l’analisi di processi di guasto concorrenti, nonché lo sviluppo di nuove politiche di manutenzione (dette “condition-based maintenance”) volte alla riduzione dei costi di manutenzione dei sistemi complessi.

Tali modelli hanno trovato specifiche applicazioni nell’ambito dei mezzi di trasporto, quali ad esempio catalizzatori di autovetture, gruppo cambio di autovetture, sistema di propulsione di mezzi di trasporto pubblico, camicie dei cilindri di motori Diesel di uso navale, fuel cells ad ossidi solidi.

Formazione della miscela

La Velocimetria Laser Doppler e Phase Doppler sono state estensivamente impiegate in Istituto Motori all’interno di motori resi accessibili otticamente al fine di ottenere misure dettagliate delle componenti di velocità  e della dimensioni delle gocce: tali metodi, uniti ad una tecnica planare, la Particle Image Velocimetry (PIV), forniscono un quadro chiaro della struttura del campo di moto ed una migliore comprensione dei processi fisici coinvolti.

Particolato

Vibroacustica

Negli ultimi dieci anni, le richieste dei clienti per quanto riguarda le prestazioni acustiche, con l’inasprimento delle norme giuridiche in materia di livelli di emissione di rumore e l’esposizione umana al rumore , hanno reso il comportamento acustico un criterio importante in molti problemi di progettazione . Nel settore automobilistico , per esempio , il comfort acustico del passeggero è diventato un importante risorsa commerciale .

Il rumore prodotto dai veicoli e la qualità delle vibrazioni rappresenta un argomento molto vasto . E’ noto che in un veicolo esistono diverse fonti di rumore che influenzano i parametri di comfort, come ad esempio il rumore aerodinamico, il rumore allo scarico, il rumore all’aspirazione, il rumore interazione strada-pneumatici, etc. Altri, come il rumore del motore in accelerazione, manovrabilità e guida hanno un impatto più diretto sul comfort del guidatore e dei passeggeri.

In Istituto Motori la ricerca in questo campo è in continuo.

Più precisamente, le attività di ricerca di tipo acustico e vibrazionali sono effettuate sia sui motori a banco che sui suoi sottosistemi ( scatola filtro di aspirazione e silenziatore di scarico ), nonché all’interno dell’abitacolo  del veicolo.

In seguito sono elencati i principali argomenti trattati :

Simulazioni Numeriche: 

• FEM (analisi modale, analisi di risposta in frequenza, etc.)
• BEM (rumore di combustione secondo normativa)
• Multibody Simulation
• Aeroacustica (rumore gasdinamico e aeroacustica)
• Signal Processing per la predizione del fenomeno della detonazione e ricostruzione segnale di pressione in camera

Analisi Sperimentali: 

• Analisi vibrazionali (catene accelerometriche e Vibrometro Laser a scansione (Polytec)
• Analisi acustiche (catene microfoniche, intensimetria, Sonda P-V
• Analisi  modale (Hammer Test)
• Analisi TL ed assorbimento acustico (Tubo di Kundt, Metodo dei 4 poli)