Insegnamento mutuato da: B019233 - COMBUSTIONE NELLE TURBINE A GAS AERONAUTICHE Laurea Magistrale in INGEGNERIA ENERGETICA
Contenuto del corso
Fondamenti della combustione
Introduzione e richiami sui flussi turbolenti
Introduzione alla combustione turbolenta
Strumenti di calcolo per lo studio della cinetica chimica
Modelli di combustione turbolenta
Combustibili liquidi
Design combustori aeronautici
Termoacustica
Emissioni inquinanti e tecniche di contenimento
K. K. Kuo,“Principle of Combustion – second edition”, Wiley
C. Law, Combustion Physics, Cambridge
J. Warnatz, U.Maas, R. Dibble, Combustion 3rd edition, Springer
I. Glassmann, R. Yetter, Combustion 4th edition, Academic Press - Elsevier
Poinsot, Veynante, “Theoretical and numerical combustion”, Edwards
A. Lefebvre, Atomizations and Sprays, Taylor&Francis
Mathieu, J., Scott, J., “An Introduction to Turbulent Flow”, Cambridge University Press,2000.
“Introduction to Turbulence Modelling”, Lecture series by the Von Karman Institute for Fluid Dynamics, Bruxelles, 2002
“LES and related techniques”, Lecture series by the Von Karman Institute for Fluid Dynamics, Bruxelles, 2007
S. Pope, 2000, “Turbulent flows”, Cambridge Univesrity Press
R. Cant, E. Mastorakos, Turbulent Reacting Flows, Imperial college press
A. M. Mellor, 1990, “Design of modern gas turbine combustors”, Academic Press
A. H. Lefebvre, 1999, “Gas Turbine Combustion”, 2° Edition, Taylor and Francis
F. Williams, Combustion Theory Second Edition, Benjamin Cummings Publishing
N. Peters, B. Rogg, Reduced Kinetic Mechanism for Applications in Combustion Systems, Springer
R. Kee, F. Rupley, E. Meeks, J. Miller, Chemkin-III: a Fortran chemical kinetics package for the analysis of gas-phase chemical and plasma kinetics, Sandia National Lab - UC-405 SAND96-8216
Obiettivi Formativi
1) Obiettivo generale del corso
Il corso si propone di fornire le nozioni fondamentali per la comprensione dei processi di combustione che interessano le turbine a gas con particolare attenzione ai motori aeronautici. Particolare cura verrà posta alla descrizione delle più moderne metodologie per la simulazione numerica del processo di combustione, con approfondimenti relativi alla modellazione dell'iniezione del combustibile liquido, della formazione di sostanze inquinanti, della insorgenza di instabilità termoacustiche e dei processi di scambio termico convettivo e radiativo. Verranno inoltre descritte le principali metodologie di progettazione aerotermica dei combustori
2) Conoscenza erogate
cc1: La conoscenza approfondita degli aspetti teorico-scientifici dell'ingegneria, sia in generale sia in modo approfondito relativamente a quelli dell'ingegneria meccanica, nella quale sono capaci di identificare, formulare e risolvere, anche in modo innovativo, problemi complessi o che richiedono un approccio interdisciplinare. La capacità di comprendere un contesto multidisciplinare in ambito ingegneristico e di operare in ottica problem solving.,
cc4: La conoscenza dei metodi numerici per la progettazione e verifica di componenti e/o sistemi meccanici, comprensivi dei modelli numerici per la corretta rappresentazione del comportamento dei materiali. La conoscenza delle tipologie di analisi necessarie per eseguire la suddetta attività di progettazione e verifica secondo i più recenti requisiti del mondo industriale.,
cc11: La conoscenza del settore delle macchine approfondendo gli aspetti propriamente connessi con i sistemi per produrre e trasformare l'energia, con riferimento anche alle energie rinnovabili, e/o gli aspetti correlati con i sistemi di propulsione. La comprensione del ruolo svolto dalle diverse tecnologie energetiche al fine di garantire la sostenibilità ambientale ed economica della produzione.
3) Capacità di applicazione
ca3: La capacità di scegliere e applicare appropriati metodi analitici e di modellazione, basati sull’analisi matematica e numerica, per poter simulare al meglio il comportamento di componenti e impianti al fine di predirne e migliorarne le prestazioni.,
ca5: La capacità approfondita di scegliere e utilizzare attrezzature, strumenti, procedure e metodi appropriati, conoscendone i limiti e le potenzialità; in particolare la capacità di condurre esperimenti anche complessi, gestire ed impiegare strumentazione e software avanzati, con capacità di analisi adeguata.,
ca8: La capacità di interpretare in maniera appropriata i risultati dei test sperimentali, dei calcoli di verifica, nonché dei processi di simulazione teorica complessa, tramite l’uso del calcolatore, dando applicazione alle basi, sperimentali, modellistiche, matematiche ed informatiche acquisite.,
ca15: La capacità di raggiungere una preparazione adeguata per poter accedere al terzo livello degli studi universitari (frequenza a master di secondo livello ed a scuole di dottorato), in modo da approfondire ulteriormente conoscenze e capacità nell’ambito della ricerca.
Metodi Didattici
Lezioni frontali ed esercitazioni pratiche in laboratorio di calcolo
Altre Informazioni
Per ogni informazione o richiesta di chiarimento rivolgersi al docente:
antonio.andreini@unifi.it
Modalità di verifica apprendimento
La valutazione dello studente prevede un esame Orale con eventuale esercitazione pratica in cui vengono proposti:
Processi fisici che coinvolgono la preparazione e l'evoluzione di combustibili liquidi sottoforma di spray, modalità di preparazione e iniezione di spray. Classificazione dei combustibili idrocarburici, meccanismi di combustione di idrocarburi. Stechiometria. Fiamme laminari premiscelate e non premiscelate. interazione combustione-turbolenza. Richiami su modellazione CFD di base. Modelli di combustione turbolenta: modelli local source, modelli flamelet, modelli per approccio LES. Modelli per la soluzione CFD di flussi bifasici: discrete phase modelling. Raffreddamento combustori. Design Aerodinamico. Sistemi di iniezione. Ignition. Stabilità. Termoacustica.
L'esame consiste generalmente in 3 domande sulle 3 parti principali del corso (nozioni base su combustione e combustibili liquidi, design combustori, modellistica CFD combustione turbolenta). Lo studente deve dimostrare di avere una conoscenza sufficiente dei vari argomenti e di essere in grado di collegare tra loro le varie nozioni acquisite
Programma del corso
FONDAMENTI COMBUSTIONE
Richiami Termochimica Termodinamica
Stechiometria, Equilibrio Chimico, Cinetica chimica
Combustibili
Meccanismi di trasporto
Fiamme premiscelate laminari
Fiamme diffusive laminari
Emissioni inquinanti NOx, CO e soot
Ignition e limiti di infiammabilità
Evaporazione combustibile liquido
Combustione in fase liquida
INTRODUZIONE FLUSSI TURBOLENTI
Fisica della turbolenza, Definizione e descrizione
Energy cascade e scale rappresentative
Flussi turbolenti maggiormente studiati
Le equazioni di Navier-Stokes per flussi turbolenti
Approcci computazionali: DNS, LES, RANS
Modelli di turbolenza, Approccio RANS
Equazioni di Navier -Stokes mediate alla Reynolds
Modelli Eddy viscosity, Near wall treatments
Approccio LES (Large Eddy Simulation)
Equazioni di Navier-Stokes filtrate
SubGridScale models
Schemi numerici e condizioni al contorno per LES
Modelli ibridi DES, SAS
INTRODUZIONE COMBUSTIONE TURBOLENTA
Campi di moto turbolenti
Concetto di Probability Density Function
Numero di Damkholer
Fiamme premiscelate turbolente
Stabilizzazione, Scale caratteristiche e regimi
Fiamme diffusive turbolente
Stabilizzazione, Scale caratteristiche e regimi
Soluzione numerica dei flussi reattivi
RANS
Classificazione dei modelli di combustione turbolenta
COMBUSTORI TURBINA A GAS
Layout e grandezze fondamentali
Classificazione e requisiti di progetto
Dimensionamento diffusore
Dimensionamento aerodinamico
Airflow Split
Swirler
Sistemi di iniezione del combustibile
Raffreddamento del liner
Progetto termico del combustore
Stabilità
Emissioni inquinanti
Normativa specifica combustori aeronautici
Combustor perfomance
Ignition e altitude relight
PREPARAZIONE COMBUSTIBILE LIQUIDO
Analisi dettagliata del processo evaporazione
Combustibili multi componente
Meccanismi e regimi di atomizzazione
Sistemi di iniezione per GT
Correlazioni
TERMOACUSTICA
Generalità
FTF per combustibili liquidi
Impedenza liner e terminazioni
Esempio calcolo
MODELLI DI COMBUSTIONE TURBOLENTA
Modelli Local Source
Modelli EDC fast chemistry e finite rate chemistry
Chemistry acceleration
Esempi
Modelli Flamelet Fiamme non premiscelate
Modelli Flamelet Fiamme premiscelate
Teoria di BML
Modello Eddy BreakUp
Modello FSD
Modello TFC
Modello G-Equation
Fiamme parzialmente premiscelate
Nox emissions - criteri di modellazione in fiamme turbolente
Soot emissions
Criteri di modellazione in fiamme turbolente
PDF Transport models
FGM models
Dscrete Particle Modelling
Advanced multi-phase modelling
Turbulent combustion models for LES
ESERCITAZIONI CINETICA CHIMICA
Chemkin package
Chemical equilibrium
Stanjan for Chemkin
Chemical reactors
Laminar flames
Fluent Flamelet module
ESERCITAZIONI CFD
Overview of Fluent turbulent combustion capabilities
Premixed flame example
Non premixed free jet flame example - EDC
Non premixed free jet flame example - Laminar Flamelet
Partially Premixed flame combustor
Liquid Fuel
Overview of OpenFOAM turbulent combustion capabilities
Application test