Sviluppo e validazione sperimentale di un modello CFD per bruciatore alimentato da syngas

La gassificazione della biomassa consente di convertire risorse solide e residui di origine biogenica in un combustibile gassoso utilizzabile in sistemi di conversione energetica. Il syngas così prodotto è tuttavia caratterizzato da una composizione fortemente variabile, nella quale la presenza relativa di H₂, CO, CH₄, specie inerti e contaminanti influenza direttamente reattività, stabilità di fiamma, trasferimento termico ed emissioni. La caratterizzazione di un bruciatore alimentato con questo combustibile richiede pertanto un approccio nel quale sperimentazione e modellazione numerica siano utilizzate in modo complementare. Il presente lavoro riguarda lo sviluppo e la calibrazione di un modello CFD di un bruciatore premiscelato alimentato con syngas derivato da biomassa. La metodologia numerica è articolata in due livelli complementari: un modello tridimensionale non reagente della sezione di miscelazione aria-syngas, utilizzato per verificare la sufficiente omogeneità della miscela a monte del bruciatore, e un modello bidimensionale assialsimmetrico della regione di combustione. Quest’ultimo comprende il fluido reagente, quattro corpi solidi rappresentativi delle pareti, un dominio fluido esterno e undici corpi solidi associati alle termocoppie sperimentali. Il campo turbolento è descritto in formulazione RANS mediante modello Realizable k-ε TwoLayer. La cinetica chimica è risolta attraverso Complex Chemistry utilizzando il meccanismo GRI-Mech 2.11, costituito da 49 specie e 279 reazioni, mentre l’interazione turbolenzacombustione viene trattata mediante Turbulent Flame Speed Closure con correlazione di Peters. La Laminar Flame Speed viene determinata per le singole condizioni operative mediante il Table Generator di STAR-CCM+ e la combustione viene inizialmente innescata mediante un Temperature Ignitor temporaneo. Il trasferimento radiativo è risolto con Discrete Ordinates Method; durante la fase di sviluppo è stata utilizzata una formulazione Gray meno onerosa, mentre le simulazioni definitive impiegano K-Distribution in entrambi i domini fluidi. Le condizioni di ingresso vengono ricostruite caso per caso a partire dai dati sperimentali. Le portate delle singole specie dell'aria e del syngas sono trasformate nelle frazioni massiche della miscela premiscelata da assegnare all'unico inlet del modello; da portata totale, densità e area di passaggio viene inoltre calcolata una velocità uniforme specifica per ciascun punto operativo. Le variazioni del rapporto aria-combustibile sono ottenute principalmente intervenendo sulla portata del fuel mantenendone invariata la composizione relativa, con conseguente aggiornamento di composizione complessiva, velocità di ingresso e Laminar Flame Speed. La valutazione del modello è basata sul confronto con le grandezze sperimentali disponibili: concentrazioni di O₂, CO₂, CO e ossidi di azoto nei prodotti della combustione, temperature misurate dalle termocoppie e profili di temperatura della superficie esterna del bruciatore. La metodologia sviluppata mantiene distinti gli aggiornamenti dei dati sperimentali, le verifiche di sensibilità numerica e le modifiche effettivamente introdotte nella calibrazione, con l'obiettivo di costruire un modello fisicamente interpretabile e sufficientemente robusto per l'analisi delle differenti condizioni operative del sistema.