RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

ANALISI TERMOFLUIDODINAMICA DI GETTI E FIAMME CON INTERAZIONE FLUIDO/STRUTTURA E FENOMENI ACUSTICI.

Università di riferimento

Università degli Studi della BASILICATA - INGEGNERIA E FISICA DELL'AMBIENTE - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Enrico Nino

Descrizione

La ricerca proposta avrà durata biennale ed è articolata in tre fasi principali. Essa prevede lo studio sperimentale dei flussi gassosi sia isotermi che reattivi, accoppiati a getti sintetici agenti come stabilizzatori di fiamma. In particolare la ricerca è finalizzata alla comprensione dei meccanismi che regolano l’interazione tra due getti coassiali, il primo ottenuto dalla fuoriuscita del flusso premiscelato di aria e combustibile, in rapporto prossimo al limite di infiammabilità, ed il secondo ottenuto mediante l’attivazione di un getto sintetico. Lo studio prevede di approfondire la comprensione dei meccanismi di formazione, e successiva rottura, di strutture coerenti (vortici) che si instaurano all’interfaccia tra i due getti e la loro capacità di stabilizzazione (ancoraggio alla sezione di uscita del bruciatore) di fiamme “magre” aventi, cioè, rapporto di miscela prossimo al limite di infiammabilità, ottenute con combustibili gassosi come il metano (CH4) e propano (C3H8). Particolare attenzione verrà posta nello studio dei meccanismi che portano al ricircolo a bassa velocità di prodotti della reazione di combustione, radicali OH e “kernels” di fiamma in particolare, verso la sezione di sbocco del bruciatore. Tale meccanismo, se opportunamente attivato e di adeguata intensità, può essere sufficiente ad “ancorare” e stabilizzare la fiamma alla sezione di sbocco del bruciatore rendendola insensibile alle pulsazione indotte dalla reazione di ossidazione del combustibile in condizioni prossime al limite inferiore di infiammabilità. Condizione, questa, che normalmente richiede la presenza della cosiddetta “fiamma pilota” adottata per riaccendere la fiamma qualora le instabilità dovessero spegnerla. Occorre ricordare che nei moderni combustori a bassa produzione di inquinanti, la fiamma pilota, formata da una miscela relativamente “ricca” e stabile rispetto alla composizione della fiamma principale, è di gran lunga la principale causa di produzione di NOx.
In particolare i fenomeni sopra richiamati verranno studiati a partire dall’analisi di un bruciatore costituito da due condotti concentrici coassiali, attraverso cui far fluire sia il flusso premiscelato che il getto sintetico di stabilizzazione. La configurazione coassiale è stata scelta in modo da poter studiare l’effetto del getto sintetico posizionato sia all’interno che all’esterno del flusso reattivo. In questo modo sarà possibile studiare la stabilizzazione della fiamma sotto l’azione delle zone di ricircolo a bassa velocità, causate dal breackdown dei vortici verso l’esterno della zona di reazione (presenza di “entrainment” di gas esterno al getto) che verso l’interno (assenza di entrainment).
Il bruciatore da realizzare ed investigare avrà una potenzialità di circa 1 KW con portata nominale massima di comburente pari a circa 0.02 kg/s. Le indagini verranno effettuate in condizioni di fiamma magra ovvero prossima al limite di infiammabilità. Limite che come è noto è compreso tra il 5% e 15% (in volume) per il metano e tra il 2.2% e 9.5% (in volume) per il propano in condizioni di pressione ambiente.
Data la semplicità della configurazione del bruciatore adottato, sarà agevole testare differenti geometrie (sostanzialmente differenti diametri di uscita) in modo da poter investigare differenti combinazioni del numero di Reynolds senza variare la potenzialità termica del bruciatore.
Per quanto riguarda il getto sintetico, esso verrà realizzato sfruttando l’oscillazione di una membrana, costituita da un altoparlante o da un trasduttore piezoelettrico, opportunamente posizionato come chiusura laterale della cavità che, accoppiata con il condotto di scarico, trasforma le oscillazioni della membrana dell’altoparlante, o del trasduttore piezoelettrico, in un flusso gassoso periodico a portata di massa media nulla. La ricerca verrà effettuata investigando l’effetto del getto sintetico prodotto mediante eccitazione dell’altoparlante, o del trasduttore piezoelettrico, con differenti frequenze ed ampiezze di un opportuno segnale sinusoidale puro in maniera da poter investigare differenti numeri di Strouhal (St).
L’interazione verrà studiata sia in condizioni isoterme che in presenza di fiamma.
La ricerca prevede il completo rilievo del campo di moto generato dal bruciatore in tutte le condizioni operative e dal rilievo dello spettro della pressione acustica generata durante le condizioni di funzionamento in presenza di combustione. Il campo di moto verrà rilevato, nelle condizioni precedentemente illustrate, mediante l'uso di differenti tecniche velocimetriche come il Velocimetro Laser Döppler (LDV) a singolo canale in fibra ottica già disponibile presso l'unità operativa e la Particle Image Velocimetry (PIV) stereo ad altissima risoluzione spaziale, già disponibile presso l'unità operativa, quest’ultima tecnica rappresenta lo stato dell’arte dei metodi ottici essendo in grado di descrivere con estrema cura, rapidità e alta risoluzione spaziale campi di moto bi e tridimensionali.
Durante il primo anno della ricerca verrà realizzato il bruciatore e ne verranno studiate le prestazioni in condizioni isoterme al fine di caratterizzare il campo di moto prodotto sia in funzione delle portate realizzate che in condizione di presenza di interazione con il getto sintetico pilotato con un segnale sinusoidale puro con differenti frequenze ed ampiezze. La caratterizzazione verrà effettuata nelle due configurazioni possibili e cioè: getto sintetico interno ed esterno al getto premiscelato.
Durante il secondo anno, verrà investigata la fluidodinamica del getto in condizioni di combustione al fine di correlare la fluidodinamica del getto isotermo, precedentemente indagata, alla presenza sia del rilascio di calore che delle periodicità indotte dalla reazione di fiamme “magre”.
La ricerca si svilupperà in tre successive fasi.
Nella prima fase, si provvederà a realizzare il bruciatore coassiale munito di alimentazione dell’aria comburente e del gas combustibile (metano e propano) in maniera indipendente in modo da poter variare il rapporto di miscela e raggiungere i limiti di infiammabilità. Particolare cura verrà posta alla realizzazione del condotto e della camera per la produzione del getto sintetico, in maniera da esaltare gli effetti delle oscillazioni di pressione per l’interazione con il getto premiscelato.
Durante la seconda fase si provvederà alla caratterizzazione fluidodinamica (velocità, turbolenza e vorticità) del bruciatore in differenti condizioni operative in modo da rilevare le caratteristiche fluidodinamiche al variare delle portate e delle caratteristiche di eccitazione del getto sintetico. Tali misure verranno effettuate mediante l'impiego di un sistema Stereo Particle Image Velocimetry (PIV) basato su un laser integrato Nd:Yag pulsato a doppia cavità, con energia di 130 mJ/impulso in seconda armonica, e su due CCD 2000*2000 pixels a doppio frame per cross correlazione (sistema già disponibile presso l'unità operativa).
I rilievi effettuati mediante la Sterio PIV consentono di caratterizzare l’interazione tra i due getti individuando le condizioni operative in grado di generare le più ampie condizioni di ricircolo dei gas. Tali rilievi verranno integrati mediante rilievi di velocità con Velocimetro Laser Döppler (LDV) in fibra ottica a singolo canale funzionante in "back scattering", basato su di un laser CW Argon Ion da 130 mW, su di un analizzatore FSA Signal Processor della TSI e su di un'ottica di manipolazione del fascio e raccolta del segnale, già disponibile presso l'unità operativa. I rilievi di velocità LDV essendo monocomponenti e puntuali non consentono una descrizione accurata del campo di moto (rilievi che verranno effettuati, in maniera bi e tridimensionale, mediante Stereo PIV) ma, sfruttando l’elevata velocità di raccolta del segnale nel tempo (“data rate” superiore a 1000 campioni di velocità misurati al secondo) consentiranno il calcolo dello spettro delle frequenze presenti nelle oscillazioni di velocità, spettro dell’intensità di turbolenza. Gli spettri rilevati in differenti punti del getto prodotto dal bruciatore forniranno informazione indispensabili per la determinazione degli spettri di potenza delle oscillazioni di velocità generate dalle differenti condizioni di eccitazione del getto sintetico di stabilizzazione e consentiranno l’organizzazione di risultati e la comprensione dei fenomeni in studio mediante il calcolo del numero di Strouhal realizzato.
Nella terza fase della ricerca le configurazioni più interessanti ottenute in condizione isoterme verranno investigate in presenza di combustione mediante le tecniche velocimetriche precedentemente indicate. Scopo di questa fase è quella di ricercare e comprendere i meccanismi fluidodinamici e le condizioni operative più idonei all’ottenimento della stabilizzazione di fiamma nelle condizioni di esercizio quanto più prossime al limite inferiore di infiammabilità per entrambi i gas combustibili adottati.
In questa fase gli esperimenti verranno condotti acquisendo gli spettri di pressione acustica, mediante analizzatore di spettro in 1/3 di ottava della Bruel & Kjaer già disponibile presso l’unità di ricerca, generati dalla formazione della fiamma. Il rilievo dello spettro acustico oltre che integrare i dati di caratterizzazione del bruciatore può fornire indicazioni utili delle successive valutazioni di “scale up” dei risultati ottenuti su bruciatori industriali dalla maggiore potenzialità termica e dal funzionamento in camera di combustione in presenza di elevati flussi termici radiativi e onde di pressione riverberanti.