Modellazione CFD di flussi reagenti in schiume a cella aperta : studio delle proprietà fluidodinamiche e di trasferimento di massa per applicazione nei sistemi di post-trattamento di MCI

Nowdays reducing emissions of pollutants is an issue of extreme concern that involves the use of special exhaust after-treatment. In this context, the present work aims to investigate the possibility of using metal foam as a sup- port for the coating of the catalytic substrate in order to replace the common honeycomb, with possible application in ICE after-treatment sistems. In particular, the finite volume open-source CFD code OpenFOAM was applied to evaluate the two main aspects that determine the quality of a converter: pressure drops and conversion of chemical species. This required the implementation of a specific library for the modelling of the mass-transfer and reactive properties of the washcoat surface. Moreover two different geometric models of the foam micro-structure has been considered, namely cubic cell and Kelvin cell structures. Resorting to these idealized structures, CFD simulations were run in order to investigate the pressure drop and the specie conversion across different samples. Finally, the performances of foams and honeycomb as catalytic substrates were compared, showing that foams allows to achieve an higher ratio between conversion and pressure drop across the catalyst.

La riduzione delle emissioni di sostanze inquinanti è oggi una tematica di estrema importanza che coinvolge l’utilizzo di particolari sistemi di post- trattamento. Il presente lavoro di tesi si inserisce in questo contesto e si propone di studiare il possibilità di utilizzare schiume metalliche come supporto per il deposito del substrato catalitico in sostituzione dei comuni honeycomb, con possibile applicazione in sistemi di post-trattamento di MCI. In particolare, il codice CFD open-source ad elementi finiti OpenFOAM ` e stato utilizzato per valutare i due principali aspetti che determinano la bontà di un convertitore: perdite di carico e conversione delle specie chimiche. Questo richiede l’implementazione di una specifica libreria per la modellazione del trasferimento di massa e delle proprietà reattive della superficie di washcoat. Inoltre sono stati considerati due differenti modelli geometrici per la micro- struttura della schiuma, chiamati strutture a cella cubica e Kelvin cell. Facendo ricorso a queste strutture idealizzate, si sono effettuate simulazioni CFD con lo scopo di analizzare le perdite di carico e la conversione delle specie chimiche ottenute per differenti campioni. Infine, il confronto tra le performance delle schiume e degli honeycomb utilizzati come substrato catalitico, ha mostrato che le schiume permettono di raggiungere un più alto rapporto tra conversioni e perdite di carico lungo il catalizzatore.