Dottorato in INGEGNERIA AERONAUTICA E SPAZIALE

Titolo della tesi: Numerical Modeling of Advanced Technological Solutions for Sustainable Aviation

Il settore dell'aviazione è tra quelli in più rapida crescita nel campo dei trasporti in termini di emissioni di gas serra. Le agenzie di regolamentazione e le istituzioni internazionali hanno quindi stabilito obiettivi ambiziosi per mitigare l'impatto climatico dell'aviazione. Queste normative hanno causato uno sconvolgimento nell'industria aerospaziale, spingendo verso lo sviluppo di nuove architetture propulsive e l'integrazione di carburanti alternativi nei sistemi motori convenzionali. In questa tesi viene condotta un'analisi estesa delle soluzioni propulsive di nuova generazione. Ad oggi, i concetti più promettenti per l'aviazione sostenibile riguardano l'integrazione di motori elettrici per ibridizzare le architetture propulsive e l'utilizzo di carburanti sostenibili (SAF) nei motori aeronautici esistenti. La prima tecnologia, caratterizzata da un basso livello di maturità tecnologica, viene analizzata nella prima parte della tesi utilizzando un approccio di progettazione concettuale. A tal fine, viene prima introdotto PhlyGreen, un codice numerico ad oggetti in linguaggio Python per la progettazione concettuale di velivoli ibridi/elettrici. La modularità del codice consente una semplice implementazione e comunicazione tra le diverse discipline coinvolte nel processo di progettazione. Sfruttando questo strumento, si è svolto uno studio di fattibilità basato su architetture propulsive caratterizzate da motori alimentati con carburanti sostenibili per l'aviazione (SAF), da architetture ibride e da motori elettrici attraverso un'analisi effettuata su un aereo regionale. Vengono condotti due studi sull'ottimizzazione delle strategie di ibridazione, tenendo conto del ciclo well-to-wake (WTW) dei vettori energetici. In primo luogo, si esegue un'ottimizzazione multi-obiettivo in vari scenari WTW per valutare in che modo i diversi processi di produzione dei SAF e di energia elettrica influenzano la riduzione dell'impatto climatico. Successivamente, si utilizza una metodologia di ottimizzazione incerta per propagare gli effetti delle incertezze nella produzione dei SAF e nel grid-mix della rete elettrica sulla configurazione ottimale del velivolo. Nella seconda parte della tesi, l'attenzione si sposta sulla caratterizzazione chimica e di combustione dei SAF. Per supportare la riduzione dei rischi legati all'adozione diffusa di combustibili non convenzionali, questa tesi presenta una serie di strumenti numerici volti a facilitare il processo di approvazione dei SAF. In primo luogo, si introduce una metodologia per la generazione di meccanismi cinetici per surrogati multicomponenti. Questo approccio consente di descrivere l'ossidazione di un surrogato fisico-chimico multicomponente dei SAF, permettendo la valutazione delle proprietà di combustione del combustibile non convenzionale. Successivamente, si esegue un'analisi numerica su una fiamma spray turbolenta di n-eptano per perseguire un duplice obiettivo: valutare l'impatto della modellizzazione della combustione e della chimica sulla topologia e sulle caratteristiche della fiamma. Infine, si una simulazione numerica ad alta fedeltà dell'autoaccensione di una nuvola di goccie composta fa SAF per valutare l'effetto delle proprietà fisico-chimiche dei combustibili non convenzionali sull'accensione di una fiamma spray.