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Teseo

Varo del Peschereccio Ibrido realizzato nell’ambito del Progetto TESEO

Nell’ambito del Distretto NAVTEC, il Progetto PON 2007-2013  TESEO (Tecnologie ad alta Efficienza per la Sostenibilità Energetica ed ambientale On-board) – Obiettivo Realizzativo 4,  ha portato alla  realizzazione di un prototipo di peschereccio ibrido ad alta efficienza e basso impatto ambientale.

In questo Progetto l’Istituto Motori ha fornito contributi sull’ottimizzazione dell’efficienza della combustione, la scelta del filtro di particolato e le architetture ibride di propulsione e generazione dell’energia a bordo. Il prototipo di Peschereccio è stato realizzato dai Cantieri Tringali di Augusta  (Siracusa).


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Modelli statistici per la stima dei fattori di emissione veicolari

Modelli statistici per la stima dei fattori di emissione veicolari


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MCFD41

Conversione termo-chimica di biomasse in sistemi waste-to-energy

L’attività di ricerca relativa alla modellistica dei processi termo-fluidodinamici e chimici nei sistemi waste-to-energy consiste nella scrittura di codici di calcolo in grado di predire il rilascio di componenti voltatili dal combustibile in fase solida (rifiuto o biomassa), suscettibili di accoppiamento con modelli CFD 3D per la simulazione della successiva combustione in fase gassosa. L’attività è in parte oggetto di collaborazione con Società incaricate della gestione di impianti di incenerimento di combustibile derivato da rifiuti (CDR)
I principali risultati del lavoro svolto consistono nella descrizione dettagliata dei processi termo-fluidodinamici e chimici che caratterizzano il funzionamento di alcuni impianti in scala reale, a partire dalla composizione del CDR trattato e dai dati che definiscono le condizioni di esercizio; nella determinazione della temperatura e del tempo di residenza dei fumi in camera di combustione, in particolare successivamente all’immissione di aria secondaria, per la verifica della normativa vigente in materia di emissioni inquinanti; nella determinazione della risposta del sistema a variazioni di parametri significativi, quali il coefficiente di scambio termico delle pareti rivestite di materiale refrattario, o di parametri di regolazione, quali le portata d’aria primaria e secondaria.

 


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MCFD31

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


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MCFD21

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


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Modellistica

L’ormai consolidato ruolo della fluidodinamica computazionale quale strumento di analisi dei processi termo-fluidodinamici trova ulteriore conferma nell’ambito della progettazione e dell’ottimizzazione dei sistemi di conversione dell’energia. L’analisi a calcolo, infatti, permette di effettuare una sperimentazione virtuale di configurazioni geometriche o di parametri di governo in tempi relativamente ridotti e con costi assolutamente trascurabili rispetto alla corrispondente caratterizzazione sperimentale.

Tecniche di simulazione numerica vengono quotidianamente applicate in Istituto Motori per studi riguardanti sia motori a combustione interna che combustori per la produzione stazionaria di energia, con impiego di combustibili di origine fossile o da fonti rinnovabili. Lo sviluppo dei modelli numerici è effettuato sia mediante codici proprietari, sia attraverso opportuna formulazione nell’ambito di ambienti software di tipo commerciale, per la caratterizzazione di flussi turbolenti reattivi multifase. La sinergia tra l’approccio modellistico e l’analisi sperimentale è continua, con il duplice scopo di effettuare la validazione dei modelli sviluppati e di individuare linee guida per ulteriori prove sperimentali.

Il trasferimento tecnologico delle conoscenze acquisite mediante la modellistica dei processi studiati alle aziende del settore avviene in maniera diretta, anche in virtù del cambiamento cui si assiste nello scenario internazionale, nel quale la progettazione non è più solo basata sulla sperimentazione, ma è guidata da analisi di tipo preliminare effettuate in fase pre-prototipale. In quest’ambito, l’impiego di tecniche decisionali di tipo rigoroso, quali i metodi di ottimizzazione basati sui moderni strumenti di simulazione numerica, risulta oggi particolarmente efficace per ridurre i costi, migliorare le prestazioni e l’affidabilità, e abbreviare il time-to-market dei sistemi di conversione dell’energia, o di singoli componenti, per le più elevate prestazioni energetiche e ambientali.

Le principali tematiche affrontate mediante tecniche di fluidodinamica computazionale sono le seguenti:

  • simulazione della dinamica di spray liquidi in atmosfera gassosa anche in presenza di eventuale impatto su parete riscaldata;
  • applicazione ed ottimizzazione di metodologie di calcolo multidimensionale con cinetica chimica dettagliata per motori ad accensione per compressione;
  • sviluppo di modelli di simulazione e ottimizzazione delle prestazioni energetiche ed ambientali di motori ad accensione comandata;
  • studio del comportamento di micro-turbine a gas nell’ambito di sistemi integrati per la generazione distribuita di energia;
  • sviluppo di modelli di conversione termo-chimica di biomasse in sistemi waste-to-energy.

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Mm1

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.

 

        

 


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Curve di voltammetria ciclica per due celle di uno stack PEM da 500 W

Sistemi elettrochimici di generazione e accumulo di energia per applicazioni automotive e stazionarie.

Sistemi elettrochimici di generazione e accumulo di energia per applicazioni automotive e stazionarie.
Prestazioni e affidabilità di celle a combustibile sono investigate mediante tecniche elettrochimiche e spettroscopiche. Le problematiche di integrazione e gestione dei sottosistemi ausiliari nei generatori elettrochimici di potenza sono analizzate su sistemi di piccola taglia (4-20 kW). I processi di accumulo di H2 e cattura di CO2 sono studiati mediante la tecnica dell’adsorbimento su solidi.

 

Curve di efficienza per uno stack PEM da 2.4 kW e del sistema comprensivo di componenti ausiliari

Curve di voltammetria ciclica per due celle di uno stack PEM da 500 W

Curve di Nyquist per due celle di uno stack PEM da 500 W


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M_Figura1

Caratterizzazione di combustibili gassosi bio-derivati

Determinazione delle proprietà di biogas e syngas come combustibili alternativi, al variare della composizione e delle condizioni di utilizzo. Obiettivo dell’attività è fornire un supporto conoscitivo per individuare le direttrici progettuali e le specifiche funzionali/operative di sistemi di generazione/cogenerazione ad alta efficienza e basso impatto ambientale.


Propagazione di fiamma per metano, syngas e biogas (P0=6 bar, Φ =1.0)


Evoluzione temporale dei raggi di fiamma per metano, syngas e biogas (P0=6 bar, Φ =1.0)


Velocità di fiamma laminare per metano, syngas e biogas (P0=6 bar, Φ =1.0)

 

 


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Caratterizzazione di aerosol antropogenici

La nucleazione e crescita di aerosol antropogenici sono investigati seguendo la formazione di cluster dallo stadio iniziale della loro crescita fino alle dimensioni nanometriche utilizzando la spettrometria di massa combinata con fasci molecolari. Risultati significativi sono stati ottenuti sui cluster acidi carbossilici-acqua che dimostrano che tali acidi possono avere un ruolo significativo come nucleo di prenucleazione di aerosol in ambiente umido (ChemPhysChem 2015, 16, 3021 – 3029).


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