Analisi CFD 3D di un motore a combustione interna a idrogeno in condizioni di miscela stechiometrica e magra: modellazione della combustione e degli effetti delle instabilità termo-diffusive

La transizione verso la neutralità carbonica nel settore dei trasporti promuove lo sviluppo dei motori a combustione interna a idrogeno (H2ICE), capaci di coniugare un'architettura consolidata, ossia quella dei tradizionali motori alimentati a combustibili fossili, con l'assenza di emissioni di CO2. Tuttavia, essi necessitano di una profonda comprensione delle peculiari caratteristiche termofluidodinamiche dell'idrogeno, tra cui l'elevata diffusività massica, i vasti limiti di infiammabilità e la propensione all'insorgenza di instabilità termo-diffusive (TDI), specialmente in miscela magra. La presente tesi mira a sviluppare, implementare e validare una robusta metodologia 3D-CFD per simulare la combustione dell'idrogeno al variare delle strategie operative. L'indagine è condotta sul motore di ricerca Darmstadt (PFI ad accensione comandata), confrontando due strategie dal carico affine (GIMEP ≈ 5 bar) e medesimo baricentro combustivo (MFB50): una miscela stechiometrica (φ=1) diluita con il 40% di EGR e una ultra-magra (φ=0.4) senza ricircolo. Le simulazioni, condotte in ambiente Simcenter STAR-CCM+, accoppiano i modelli Complex Chemistry e Turbulent Flame Speed Closure (CC-TFC). Il modello è stato validato con successo sul caso stechiometrico diluito, in cui la corretta inizializzazione dell'EGR (miscela di N2 e H2O) è risultata essenziale per stimare accuratamente la velocità laminare. Sul caso ultra-magro il modello standard ha invece palesato un limite fisico: trascurando le TDI, la drastica riduzione della reattività ha restituito una combustione eccessivamente lenta. Nell’ottica di una rivalutazione termodinamica e geometrica di alcuni parametri generali, si è dimostrato fisicamente più corretto estrapolare il rapporto dei calori specifici (γ) solo sulla miscela incombusta (valori medi 1.355 a φ=1 e 1.370 a φ=0.4). Parallelamente, l'analisi di sensibilità ha rivelato che il ripristino dell'esatta volumetria della crevice genera una sovrapressione in camera, certificando che il setup attuale compensa implicitamente perdite non simulate e delineando la necessità futura di modelli espliciti per il blow-by. Per validare definitivamente il caso magro, si è implementata una correlazione analitica locale per il calcolo del parametro di instabilità del secondo ordine (ω2). Il successo predittivo è stato garantito dal condizionamento turbolento basato sul fattore di Karlovitz (K-conditioning), indispensabile per governare fisicamente la transizione dal regime delle instabilità cellulari a quello guidato dallo stiramento aerodinamico, centrando i target sperimentali senza derive sovra-reattive. A completamento dell’indagine, l'architettura analitica offline di ω2 è stata estesa alle condizioni stechiometriche con EGR. La trattazione ha dimostrato matematicamente che, nel dominio termodinamico di interesse, ω2 assume valori debolmente negativi, certificando l'assenza di instabilità rilevanti e fornendo la giustificazione scientifica per l'omissione del sottomodello TDI. In conclusione, il presente lavoro di tesi ha validato con successo una metodologia 3D-CFD completa e fisicamente rigorosa: il modello prevede con eccellente accuratezza lo sviluppo della combustione in entrambi i punti operativi, confermandosi uno strumento altamente affidabile per guidare lo sviluppo e l'ottimizzazione di futuri propulsori a idrogeno.