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Holistic Approach of Spray Injection through a Generalized Multi-phase Framework

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Gli strumenti numerici rendono più conveniente la progettazione di nuovi sistemi di iniezione del carburante

Per soddisfare la normativa UE in tema di emissioni, lo sviluppo di sistemi di iniezione del carburante è fra le principali priorità industriali per ridurre le emissioni inquinanti provenienti dai sistemi di trasporto a combustibile liquido e di generazione di energia. Tuttavia una nuova progettazione dei sistemi di iniezione del carburante è limitata a causa delle lacune nella comprensione dei complessi processi di flusso multifase su microscala e dall’attuale potenza di calcolo.

Tecnologie industriali

I sistemi di iniezione del carburante comandati elettronicamente che funzionano con una vasta gamma di pressioni e composizioni di carburante, rappresentano una delle tecnologie principali per ridurre le emissioni inquinanti che si formano durante la combustione da tali sistemi di trasporto a combustibile liquido e di generazione di energia. «Il denominatore comune in tutte le diverse progettazioni attualmente disponibili è la formazione di flussi multifase che controllano l’atomizzazione del carburante e le conseguenti proprietà di miscelazione delle nebulizzazioni di carburante iniettato», spiega Manolis Gavaises, coordinatore scientifico del progetto HAoS, finanziato dall’UE, nonché professore presso la City University of London, l’istituto di coordinamento. La ricerca è stata intrapresa con il supporto del programma Marie Skłodowska-Curie.

Esperimenti tramite le simulazioni numeriche dirette

I partner del progetto hanno lavorato sullo sviluppo e la convalida sperimentale dei modelli di dinamica dei fluidi computazionale (CFD) rivolgendo i processi di flusso realizzati in sistemi di iniezione del carburante a una vasta gamma di modelli di combustione. Questi includono i motori convenzionali a benzina e a diesel, le turbine a gas, i motori a razzo e i bruciatori a olio combustibile utilizzati per la produzione di energia. I temi principali della ricerca dei partner sono stati i fenomeni di flusso come la nucleazione delle bolle durante la cavitazione, l’ebollizione istantanea e l’emulsione di acqua, nonché gli ulteriori processi di frammentazione delle strutture liquide formatesi. L’obiettivo primario dei ricercatori era quello di comprendere e modellare questi processi nel quadro di un modello CFD di simulazione a grandi vortici, (LES). «In questo approccio i processi non risolti di cui sopra, in scala sottogriglia, SGS richiedono una modellizzazione mentre i loro effetti su scala ingegneristica a tempi di calcolo accessibili sono ottenuti con simulazioni numeriche», prosegue Gavaises. Attraverso esperimenti su misura e simulazioni numeriche dirette, hanno sviluppato i relativi modelli di chiusura SGS. Questi modelli sono stati implementati in vari codici LES. I membri del team hanno preso in considerazione fenomeni specifici, tra cui gli effetti del collasso delle bolle di cavitazione sulla nebulizzazione primaria dei combustibili diesel e benzina, la formazione di bolle/vapori negli ugelli dell’ossigeno liquido e le proprietà della miscela aria/olio combustibile sull’atomizzazione nei bruciatori di olio combustibile, nonché l’effetto dell’aerodinamica delle goccioline liquide, l’emulsione dell’acqua, la turbolenza del flusso e l’impatto delle goccioline con le superfici sulla loro frammentazione.

Applicazioni industriali

Il team HAoS ha convalidato gli strumenti di simulazione sviluppati rispetto ai dati sperimentali di riferimento appena ottenuti. Gli attuali modelli all’avanguardia difettano di questi strumenti. La convalida ha riguardato iniettori di carburante diesel e benzina, nebulizzatori ad aria compressa, nebulizzatori con getto a Y utilizzati con bruciatori a olio e iniettori utilizzati con fluidi criogenici per motori a razzo. «Questi confronti hanno dimostrato l’applicabilità e il valore aggiunto dei modelli sviluppati per i motori a combustione interna, le turbine a gas, i bruciatori a combustibile e addirittura gli iniettori di carburante di motori a razzo», conclude Gavaises. «Di conseguenza questi modelli andranno a beneficio dell’industria e delle aziende come i produttori di sistemi di iniezione e di combustione che li adotteranno come strumenti di progettazione per sviluppare nuovi sistemi di iniezione del carburante e modelli di combustione». Inoltre, i risultati di HAoS andranno a beneficio della più vasta comunità di fluidomeccanica, che trarrà vantaggio dalle nuove conoscenze fisiche sul collegamento tra il flusso multifase all’interno dell’ugello e l’atomizzazione. Inoltre, il progetto ha fornito una formazione a 15 ricercatori nella fase iniziale, promuovendo una nuova generazione di scienziati esperti nella tecnologia dei sistemi di iniezione del carburante.

Parole chiave

HAoS, iniezione del carburante, atomizzazione, generazione di energia, sistema di iniezione del carburante, trasporto a combustibile liquido, SGS, CFD, LES

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