Reactor network approach. Numerical analysis and optimization

Stricter environmental regulations are imposing a drastic reduction on pollutants emission, especially regarding industrial burners. Predictive tools are becoming increasingly popular as fast-screening alternative to conventional expensive experiments to assess the impact of design parameters variation on the combustor performance. Computational Fluid Dynamics (CFD) is the most reliable tool to accurately predict temperature, pressure, velocity and species concentration field throughout the chamber. However, the simulation of turbulence phenomena coupled with detailed chemistry mechanisms is excessively time-consuming and combustor designers ask for faster viable alternatives to compare different configurations based on their respective pollutants emissions. The Reactor Network Approach aims at simplifying fluid dynamics while retaining detailed chemical mechanisms by building an Equivalent Reactor Network (ERN) composed of ideal Perfectly Stirred Reactors (PSR) and Plug Flow Reactors (PFR). Numerical analysis of the model equations and of the possible solution procedures is accomplished, also exploiting Graph Theory algorithms. The Reactor Network construction is addressed by means of an optimization procedure to match the combustor experimental residence time distribution (RTD), using the MATLAB/SIMULINK suite. A new Reactor Network solver, NetSMOKE, was developed in C++ and compared with an older version. The performances are considerably improved and a collaboration with Technische Universität Darmstadt allowed to analyze the Darmstadt lab-scale burner as final case-study.

L’esigenza di rispettare normative ambientali sempre più severe comporta l’obbligo di ridurre drasticamente le emissioni inquinanti, con particolare riguardo ai combustori industriali.Per valutare l'impatto di modifiche dei parametri progettuali sulla prestazione dello specifico combustore, strumenti computazionali predittivi stanno acquisendo sempre più importanza come alternativa rapida ed efficiente al tradizionale costoso approccio sperimentale. La Fluidodinamica Computazionale rappresenta lo strumento più idoneo per prevedere con precisione temperatura, pressione, velocità e concentrazioni delle specie all’interno della camera di combustione. Tuttavia, è da notare che la simulazione della turbolenza combinata con meccanismi cinetici dettagliati è computazionalmente inefficiente ed i progettisti di combustori necessitano di valide alternative ma più veloci per confrontare le differenti configurazioni basandosi sulla emissione di inquinanti. Una rete di reattori mantiene uno schema cinetico dettagliato ma semplifica la fluidodinamica costruendo una rete di reattori equivalente, composta da reattori perfettamente miscelati e reattori flusso a pistone. è stata realizzata,Analisi numerica delle equazioni e delle procedure di soluzione ricorrendo anche ad algoritmi della Teoria dei Grafi. La costruzione della rete di reattori richiede l’ottimizzazione dei parametri con lo scopo di riprodurre la distribuzione sperimentale dei tempi di residenza, grazie ai software MATLAB/SIMULINK. Un nuovo codice orientato alla risoluzione di reti di reattori, NetSMOKE, è stato sviluppato in C++ e comparato con una versione precedente. Le prestazioni sono notevolmente migliorate e la collaborazione con Technische Universität Darmstadt ha permesso di analizzare il combustore di Darmstadt come caso studio conclusivo.