ESSS Italy: Soluzioni software Ansys per la simulazione di ingegneria

Simulazione di combustione: metodo per la sostenibilità dei processi

Scritto da Fabio Villa | Oct 29, 2024 8:00:00 AM

Uno dei principali vantaggi dell'utilizzo della CFD nella simulazione dei processi di combustione è la capacità di ottenere una comprensione dettagliata e tridimensionale del comportamento dei flussi di fluido e delle reazioni chimiche. La combustione è un processo altamente dipendente dalla dinamica dei fluidi, poiché la distribuzione di combustibile e ossidante, la turbolenza, la temperatura e la pressione influenzano direttamente le reazioni chimiche. La CFD (Computational Fluid Dynamics) permette di visualizzare questi fenomeni in dettaglio, fornendo informazioni su come i diversi parametri interagiscono e influenzano l'efficienza della combustione.

Descrizione metodologie simulazione processi reattivi

I flussi reattivi possono essere simulati attraverso due diversi approcci in funzione di quello che viene richiesto come output dal progetto:

  1. Il primo approccio, più tradizionale, utilizza la simulazione CFD per la combustione. Attraverso la CFD, è possibile simulare il trasporto di calore, la distribuzione delle specie chimiche, la formazione di fiamme e la produzione di inquinanti in un ambiente virtuale. Questa simulazione consente di studiare in dettaglio fenomeni complessi come la turbolenza e le reazioni chimiche, migliorando l'efficienza dei processi di combustione e ottimizzando il design di sistemi industriali e motori. Alcuni esempi di tali tool sono Ansys Fluent (per la simulazione di combustione in un bruciatore industriale) o Ansys Forte (per la simulazione di motori a combustione interna).
  2. Il secondo approccio detto simulazione tramite reti reattive (o reaction networks) 1D che consiste nel modellare i processi chimici complessi attraverso una rete di reazioni interconnesse, dove ogni nodo rappresenta una specie chimica e ogni collegamento rappresenta una reazione chimica. Questo metodo è particolarmente utile per gestire e analizzare sistemi con numerose reazioni simultanee, come nei processi di combustione o in reattori chimici. La rete reattiva viene analizzata per capire come le specie chimiche evolvono nel tempo, permettendo di identificare i percorsi reattivi principali e di ottimizzare le condizioni operative. Un esempio di tale tool è Ansys Chemkin.

Applicazioni pratiche della simulazione computazionale

La simulazione computazionale nel settore della combustione offre diverse applicazioni fondamentali per l'industria e la ricerca scientifica. Una delle principali è l'ottimizzazione dei processi di combustione nei motori a combustione interna e nelle turbine a gas, permettendo di migliorare l'efficienza energetica e ridurre le emissioni inquinanti. Inoltre, le simulazioni possono essere utilizzate per studiare la formazione di inquinanti come ossidi di azoto e particolato, contribuendo allo sviluppo di tecnologie di combustione più pulite.

Nel settore della sicurezza, la simulazione è cruciale per analizzare il comportamento del fuoco in scenari complessi, come incendi in gallerie o in impianti industriali, permettendo di progettare sistemi di prevenzione e controllo più efficaci. Infine, queste tecnologie sono essenziali per la progettazione e l'ottimizzazione di bruciatori e reattori, favorendo l'innovazione nei combustibili alternativi e nei processi di combustione avanzati.

Vantaggi dell'uso di Ansys nei fenomeni di combustione

L'uso di Ansys offre numerosi vantaggi alle aziende che lo implementano nei loro processi di simulazione di combustione:

  1. Modelli di Combustione Avanzati: Ansys Fluent include una vasta gamma di modelli di combustione, come quelli per la combustione premiscelata, non premiscelata, parzialmente premiscelata, e i modelli di fiamma laminare e turbolenta, permettendo di affrontare una varietà di scenari industriali.
  2. Integrazione Multidisciplinare: Ansys Fluent consente di combinare la simulazione della combustione con altre discipline, come la fluidodinamica, il trasferimento di calore e l'interazione fluido-struttura, per una comprensione più completa e accurata dei processi coinvolti.
  3. Analisi dei Prodotti di Combustione: meccanismi avanzati possono essere utilizzati sia per la modellazione 3D CFD che 1D, consentendo di modellare e prevedere la formazione di inquinanti come NOx, CO, e particolato, facilitando il rispetto delle normative ambientali e la progettazione di sistemi più sostenibili.
  4. Trattamento Avanzato dei Motori a Combustione Interna: Ansys Forte è ottimizzato per simulare motori a combustione interna, inclusi motori diesel, benzina, e motori alimentati da combustibili alternativi. Supporta configurazioni specifiche del motore come camere di combustione a geometria complessa, iniezione diretta e tecnologie di accensione avanzate. Il software include modelli sofisticati per la simulazione di iniezione di carburante, atomizzazione, vaporizzazione e combustione di gocce, fondamentali per motori a iniezione diretta e si integra facilmente con altri strumenti Ansys, come Ansys Fluent e Ansys Chemkin, permettendo una simulazione multidisciplinare che combina fluidodinamica, chimica dettagliata e analisi strutturale.
  5. Chimica Dettagliata: Ansys Chemkin è rinomato per la sua capacità di gestire meccanismi chimici complessi con centinaia o migliaia di specie e reazioni, permettendo una simulazione estremamente dettagliata dei processi di combustione. è ideale per simulare processi che coinvolgono una vasta gamma di reazioni chimiche, come la combustione in motori, la pirolisi, l'ossidazione e la formazione di inquinanti, offrendo un'analisi approfondita della cinetica chimica.
  6.  Analisi delle Emissioni: I software forniscono strumenti avanzati per la previsione e l'analisi della formazione di inquinanti, come NOx, SOx, CO e particolato, supportando lo sviluppo di tecnologie più pulite e il rispetto delle normative ambientali.

Conclusioni

La simulazione di processi di combustione tramite software di fluidodinamica computazionale offre numerosi vantaggi che spaziano dalla comprensione approfondita dei fenomeni di combustione, alla riduzione dei costi e dei tempi di sviluppo, al miglioramento della sicurezza, dell'efficienza energetica e alla riduzione delle emissioni inquinanti. Oltre all’approccio CFD 3D più tradizionale,  è possibile utilizzare reti reattive 1D  che, sebbene semplifichino la parte geometrica, permettono di eseguire simulazioni in tempi relativamente brevi, grazie a solutori avanzati che riducono il tempo di calcolo senza compromettere l'accuratezza.