La prima decisione nella modellazione della combustione è che cosa limiti la reazione.
Limitata dalla miscelazione. Combustibile e comburente entrano separati e bruciano appena si incontrano. La velocità è fissata da quanto rapidamente si mescolano su scala molecolare. In questa classe ricade la maggior parte delle fiamme diffusive industriali. L'approccio eddy dissipation di Magnussen e Hjertager lo rappresenta legando la velocità di reazione all'energia cinetica turbolenta e alla sua velocità di dissipazione [1].
Limitata dalla chimica. La miscela è pronta ma la reazione è lenta: bassa temperatura, miscela diluita, limiti di accensione e di estinzione. Qui domina la scala di tempo chimica e i modelli basati sulla miscelazione danno la risposta sbagliata.
La distinzione si fa con un rapporto adimensionale fra scale di tempo (il numero di Damköhler): se il tempo di miscelazione è molto più lungo di quello chimico, il processo è limitato dalla miscelazione.
Conseguenze pratiche
Far girare un meccanismo chimico dettagliato su un problema limitato dalla miscelazione aumenta il costo di ordini di grandezza e non aggiunge nulla all'accuratezza — perché non è la chimica a limitare.
Viceversa, se la domanda riguarda il ritardo di accensione, l'estinzione o il combustibile incombusto (CO, UHC), un modello basato sulla miscelazione è inadeguato; quelle grandezze dipendono direttamente dalla scala di tempo chimica.
L'ingresso critico: la distribuzione dell'aria
Ciò a cui un'analisi di combustione è più sensibile di solito non è il modello ma da dove entra l'aria e quanta. La distribuzione dei fori d'aria secondaria, l'apertura del registro, le infiltrazioni d'aria: sono questi a fissare la forma della fiamma e il campo di temperatura, più del modello. Vedi la nota sulle condizioni al contorno.
L'irraggiamento non si può trascurare
Alle temperature di fiamma la parte dominante del calore che va alla parete è per irraggiamento, e i prodotti di combustione sono un mezzo partecipante. Un'analisi di combustione senza irraggiamento sbaglia insieme il flusso termico alla parete e la temperatura di fiamma. Vedi la nota sull'irraggiamento.
Riferimenti
- Magnussen, B. F. & Hjertager, B. H. (1977). On mathematical modeling of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion. Symposium (International) on Combustion, 16(1), 719–729. DOI: 10.1016/S0082-0784(77)80366-4
- Modest, M. F. & Mazumder, S. (2021). Radiative Heat Transfer, 4th ed. Academic Press. ISBN 978-0-323-98406-5.