Analisi numerica avanzata di fiamme contenenti idrogeno in condizioni non ideali

L’attuale transizione energetica ha fortemente promosso l’uso e lo sviluppo tecnologico dell’idrogeno. A causa della sua elevata reattività e la sua bassa densità a temperatura e pressione atmosferiche, l’identificazione di condizioni ottimali per lo stoccaggio rappresenta una sfida ingegneristica e multidisciplinare. In tale ottica, sta prendendo piede una soluzione ibrida basata sulla diluizione in fase gas con un inerte largamente disponibile, quale l’anidride carbonica. Infatti, l'utilizzo di miscele H2/CO2/aria permette vantaggi economici, di stoccaggio e di sicurezza. Tuttavia, la CO2 determina l'insorgere di meccanismi di instabilità intrinseca che possono condurre ad una struttura cellulare della fiamma, imprevedibile e non sicura. Sulla base di quanto detto, il presente elaborato si è focalizzato sull’analisi numerica di fenomeni chimico-fisici caratterizzanti le fiamme contenenti H2 e CO2 in aria. L'obiettivo principale è legato allo studio termo-fluidodinamico della struttura delle fiamme e della transizione dal regime laminare a quello instabile. Per tali motivi, gli aspetti cinetici sono stati semplificati valutando una singola reazione apparente di ossidazione completa. Inoltre, è stata implementata una geometria bidimensionale in grado di riprodurre un bruciatore prototipale, al fine di condurre una validazione dei modelli numerici utilizzati. I risultati ottenuti dimostrano che l'aggiunta della CO2 induce un effetto destabilizzante sulla fiamma. Affinché ciò avvenga deve essere superato un determinato rapporto di diluizione per condizioni operative assegnate. Infatti, una miscela diluita con 30 mol-% di CO2 tende ad essere stabile tanto quanto la fiamma con H2 puro. Al contrario, la presenza di 70 mol-% di CO2 nel sistema determina una fiamma instabile e dal comportamento non ideale. Infine, le analisi condotte dimostrano l'inesistenza di una correlazione tra cellularità e numero di Lewis e suggeriscono una dipendenza con il numero di Peclèt.