Una fiamma non resta ferma da sola. Il fronte di fiamma si assesta dove la propria velocità di propagazione bilancia la velocità di avvicinamento della miscela. Se la miscela è veloce la fiamma si stacca; se è lenta risale.
In pratica quell'equilibrio lo stabilisce il flusso stesso.
La zona di ricircolo
Dietro lo stabilizzatore di fiamma (palette di swirl, un cono, un gradino) si forma una zona di ricircolo a bassa velocità. Lì vengono trattenuti prodotti di combustione caldi che accendono di continuo la miscela fresca. È il pilota che tiene viva la fiamma.
Attorno a questa zona ruotano le domande di progetto: la sua dimensione, il tempo di permanenza al suo interno, la sua temperatura e la sua superficie di contatto con la miscela fresca.
Il numero di swirl
Quando si impone uno swirl assiale, superata una soglia del numero di swirl si apre una regione di ricircolo sull'asse — la rottura del vortice. È il meccanismo di tenuta di fiamma più diffuso nei bruciatori industriali.
Sotto la soglia non c'è ricircolo stabile e la fiamma è esposta al distacco. Molto al di sopra la fiamma diventa troppo corta, si attacca alla parete e crea surriscaldamento locale.
Difficoltà di modellazione
Il flusso rotante è anisotropo. I modelli isotropi a due equazioni sbagliano la rottura del vortice e la dimensione della zona di ricircolo; un modello degli sforzi di Reynolds è nettamente più realistico [1]. Lo stesso limite vale nei separatori a ciclone.
Il fenomeno può essere transitorio. La regione di rottura del vortice oscilla; una soluzione stazionaria fatica a convergere, e di solito quello è un segnale della fisica. Vedi la nota sulla convergenza.
Estinzione e accensione sono chimiche. Se la domanda è il limite di stabilità, un modello di combustione basato sulla miscelazione non basta. Vedi la nota sulla modellazione della combustione.
Il criterio di accettazione
Quello che di solito si chiede all'analisi non è se la fiamma ci sia, ma quanto vale il margine di stabilità: a quale eccesso d'aria e a quale carico comincia il distacco. Lo si trova percorrendo un intervallo, non calcolando un singolo punto di funzionamento.
Riferimenti
- Launder, B. E., Reece, G. J. & Rodi, W. (1975). Progress in the development of a Reynolds-stress turbulence closure. Journal of Fluid Mechanics, 68(3), 537–566.
- 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