Simulazione di un combustore aeronautico con i codici fluidodinamici Fluent ed OpenFoam : analisi dei modelli spray

L’attenzione sempre più insistente verso i fenomeni di inquinamento atmosferico, quali l’emissione diretta di sostanze inquinanti e di gas ritenuti responsabili dell’effetto serra, hanno portato le autorità politiche europee a normare le emissioni provenienti dal traffico aereo. Le emissioni provenienti da un motore a turbina a gas sono analoghe a quelle provenienti da un motore a combustione interna. Particolare attenzione è rivolta verso la riduzione delle emissioni di ossidi di azoto, coerentemente con gli ambiziosi obiettivi europei (ACARE target: diminuzione NOx dell’80% entro il 2020). Per poter raggiungere tale obiettivo è necessario uno studio approfondito delle condizioni ideali di formazione degli inquinanti per poter adottare opportune misure correttive e migliorare il disegno delle camere di combustione. Le prove sperimentali sono dispendiose e quindi sono sempre più spesso accompagnate dall’utilizzo di modelli predittivi quali i codici di fluidodinamica computazionale (CFD). L’obiettivo di quest’attività di ricerca è sia di convalidare i codici CFD sia di giungere ad una maggiore comprensione del fenomeno. Questa Tesi ha come obiettivo primario quello di effettuare la simulazione fluidodinamica di un combustore utilizzato in aviazione, con particolare attenzione agli aspetti legati alla caratterizzazione dello spray. Quest’attività è stata svolta utilizzando sia un codice Open Source che uno commerciale. Il codice Open Source utilizzato è OpenFOAM ed i risultati raggiunti sono confrontati con quelli di un codice commerciale e quindi maggiormente testato: FLUENT. Il combustore analizzato è il combustore ALLISON 250 C20B, montato su alcuni elicotteri civili e militari. E’ stata creata una mesh 3D del combustore e definite le condizioni al contorno sulla base delle informazioni geometriche disponibili. Data la dimensione della griglia di calcolo, si è ritenuto opportuno fare riferimento ad un approccio di tipo RANS, con il modello di chiusura k-epsilon per modellare la turbolenza creatosi nelle condizioni operative del combustore. L’attenzione è stata principalmente rivolta verso i modelli disponibili per descrivere l’evoluzione dello spray di combustibile all’interno della camera di combustione, perché i fenomeni di evaporazione, miscelazione e di micro-miscelazione influenzano i picchi di temperatura, responsabili delle emissioni di ossidi di azoto. I modelli matematici per rappresentare la fase continua e la fase dispersa sono stati analizzati e discussi con particolare attenzione ai modelli di iniezione, drag ed evaporazione delle particelle liquide di kerosene. Sono stati inoltre studiati e discussi i fenomeni di rottura e collisione tra le particelle e l’interazione delle stesse con le pareti del combustore. L’attività svolta ha consentito di confrontare i due codici fluidodinamici, che forniscono predizioni simili ma con differenze dovute soprattutto alla diversa descrizione dell’evoluzione dello spray reattivo. Queste differenze sono state discusse nel presente lavoro che ha permesso di evidenziare anche alcune difficoltà di tipo numerico del codice OpenFOAM.