Dottorato in INGEGNERIA AERONAUTICA E SPAZIALE

Titolo della tesi: Intrinsic flame instabilities in hydrogen enriched Ammonia/Air premixed flames.

L’aumento della domanda di soluzioni energetiche sostenibili ha intensificato l’interesse per combustibili alternativi come l’idrogeno e l’ammoniaca, che offrono un potenziale di combustione privo di carbonio. Tuttavia, la loro implementazione pratica è ostacolata da instabilità intrinseche che influenzano la propagazione della fiamma, le emissioni di inquinanti e le prestazioni complessive della combustione. Questa tesi analizza le instabilità intrinseche delle fiamme premiscelate aria-ammoniaca arricchite con idrogeno attraverso simulazioni numeriche ad alta fedeltà, concentrandosi sul loro impatto sulla dinamica della fiamma e sulla formazione degli ossidi di azoto (NO). A tal fine, è stato sviluppato e implementato un framework per flussi chimicamente reagenti a basso numero di Mach all’interno di un codice spettrale ad elementi finiti massivamente parallelo, consentendo simulazioni numeriche dirette (DNS) di fiamme premiscelate laminari. Questo approccio computazionale cattura gli effetti della pressione, della diffusione differenziale e dei fenomeni di trasporto di secondo ordine, come l’effetto Soret. Inoltre, viene valutata l’efficienza computazionale e la scalabilità del solver di flussi reattivi, garantendone la fattibilità per simulazioni su larga scala della combustione di combustibili alternativi. Lo studio analizza sistematicamente l’influenza delle instabilità termo-diffusive nella combustione di ammoniaca arricchita con idrogeno, concentrandosi sull’effetto dell’aumento della pressione, in particolare a condizioni atmosferiche ed elevate (fino a 10 atm), sulla stabilità della fiamma e sulla formazione di inquinanti. Viene condotta un’analisi di stabilità lineare numerica per determinare i limiti teorici di stabilità e valutare le relazioni di dispersione, misurando i tassi di crescita delle perturbazioni della fiamma in diverse condizioni. Questa analisi viene poi estesa al regime non lineare tramite simulazioni numeriche dirette, consentendo un’indagine dettagliata sull’evoluzione delle instabilità intrinseche della fiamma nel tempo e sul loro impatto sulla formazione di NO. I risultati rivelano i meccanismi chiave che collegano la rugosità della fiamma indotta dalle instabilità alla produzione di inquinanti, offrendo una comprensione più approfondita dell’interazione tra la chimica della combustione e l’idrodinamica. Oltre all’analisi fondamentale delle instabilità della fiamma, lo studio esplora anche l’integrazione di questi effetti in modelli a ordine ridotto. Viene identificata la dimensionalità del low-dimensional manifold (LDM) necessaria per prevedere accuratamente le velocità di reazione di NO e le caratteristiche principali della fiamma, gettando le basi per modelli basati sui dati che collegano simulazioni ad alta fedeltà con applicazioni ingegneristiche su larga scala. Infine, viene proposto un modello per descrivere l’interazione tra turbolenza e instabilità intrinseca della fiamma in un contesto industrialmente rilevante. Il modello viene valutato confrontandolo con dati sperimentali provenienti dal bruciatore NTNU per fiamme premiscelate idrogeno-aria, permettendo un’analisi comparativa della sua accuratezza predittiva e applicabilità pratica. In sintesi, i risultati di questa ricerca forniscono importanti approfondimenti sul comportamento delle fiamme di ammoniaca arricchite con idrogeno, contribuendo ad avanzare la comprensione della loro stabilità e delle emissioni inquinanti.