The current and more and more impacting environmental challenges request a shift in the way we produce our energy, in every sector of industry and private use, toward greener decarbonized solutions. In this context, great attention is reserved to the energy and heat industrial demand, which sees the possibility of a radical change in primary energy source; indeed, reliance on green hydrogen, produced via water electrolysis thanks to the excess in renewable energy production, is one of the scenarios at stake. Development of new facilities specifical for this new fuel and retrofit of the existing one are not possible without a consistent phase of simulation and testing, and for this reason the need for reliable but fast simulation routines is increasing. As a consequence, industrial companies and universities are joining forces to meet this objective. The purpose of the present work is to analyse and test the virtual optimized chemistry approach against the state of the art of chemistry modeling in turbulent combustion phenomena. Academic and semi-industrial configurations are considered, aiming at portraying the benefits in accuracy with respect to tabulated chemistry method, at a still reduced computational cost.

Le attuali e sempre più impattanti sfide ambientali ci impongono un cambiamento radicale nel modo in cui produciamo la nostra energia, sia nell'industria che nell'utilizzo privato, verso soluzioni decarbonizzate e non dannose per l'ambiente. In questo contesto, grande attenzione viene riservata alla domanda di calore ed energia nel mondo industriale, che vede di fronte a sé la possibilità di una rivoluzione in termini di energia primaria di riferimento; infatti, fare affidamento su idrogeno verde, prodotto per mezzo di elettrolisi di acqua grazie al surplus di energia rinnovabile prodotto da impianti fotovoltaici ed eolici, è uno dei possibili scenari in considerazione. Lo sviluppo di nuovi impianti specifici per questo nuovo carburante e l'aggiornamento di quelli esistenti non sono possibili senza una consistente fase di ricerca e sviluppo, per mezzo sia di simulazioni che di test sperimentali, e per questo ragione si assiste ora ad un aumento nella ricerca di metodi di simulazioni affidabili ma rapidi. Di conseguenza, compagnie industriali e università stanno unendo le forze per il raggiungimento di questo obiettivo. Lo scopo di questa tesi è analizzare e testare il metodo della chimica virtuale ottimizzata rispetto a ciò che costituisce l'attuale stato dell'arte nella modellazione della chimica in fenomeni di combustione turbolenta. Configurazioni accademiche e semi-industriali sono prese in considerazione col fine di mostrare i benefici ottenibili nell'accuratezza dei risultati rispetto al metodo della chimica tabulata, sempre ad un costo computazionale contenuto.

Virtual optimized chemistry in the modeling of turbulent methane-hydrogen flames

STELLA, ENRICO
2019/2020

Abstract

The current and more and more impacting environmental challenges request a shift in the way we produce our energy, in every sector of industry and private use, toward greener decarbonized solutions. In this context, great attention is reserved to the energy and heat industrial demand, which sees the possibility of a radical change in primary energy source; indeed, reliance on green hydrogen, produced via water electrolysis thanks to the excess in renewable energy production, is one of the scenarios at stake. Development of new facilities specifical for this new fuel and retrofit of the existing one are not possible without a consistent phase of simulation and testing, and for this reason the need for reliable but fast simulation routines is increasing. As a consequence, industrial companies and universities are joining forces to meet this objective. The purpose of the present work is to analyse and test the virtual optimized chemistry approach against the state of the art of chemistry modeling in turbulent combustion phenomena. Academic and semi-industrial configurations are considered, aiming at portraying the benefits in accuracy with respect to tabulated chemistry method, at a still reduced computational cost.
FIORINA, BENOÎT
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
15-dic-2020
2019/2020
Le attuali e sempre più impattanti sfide ambientali ci impongono un cambiamento radicale nel modo in cui produciamo la nostra energia, sia nell'industria che nell'utilizzo privato, verso soluzioni decarbonizzate e non dannose per l'ambiente. In questo contesto, grande attenzione viene riservata alla domanda di calore ed energia nel mondo industriale, che vede di fronte a sé la possibilità di una rivoluzione in termini di energia primaria di riferimento; infatti, fare affidamento su idrogeno verde, prodotto per mezzo di elettrolisi di acqua grazie al surplus di energia rinnovabile prodotto da impianti fotovoltaici ed eolici, è uno dei possibili scenari in considerazione. Lo sviluppo di nuovi impianti specifici per questo nuovo carburante e l'aggiornamento di quelli esistenti non sono possibili senza una consistente fase di ricerca e sviluppo, per mezzo sia di simulazioni che di test sperimentali, e per questo ragione si assiste ora ad un aumento nella ricerca di metodi di simulazioni affidabili ma rapidi. Di conseguenza, compagnie industriali e università stanno unendo le forze per il raggiungimento di questo obiettivo. Lo scopo di questa tesi è analizzare e testare il metodo della chimica virtuale ottimizzata rispetto a ciò che costituisce l'attuale stato dell'arte nella modellazione della chimica in fenomeni di combustione turbolenta. Configurazioni accademiche e semi-industriali sono prese in considerazione col fine di mostrare i benefici ottenibili nell'accuratezza dei risultati rispetto al metodo della chimica tabulata, sempre ad un costo computazionale contenuto.
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