Alcune camere di combustione entrano, in certi punti di funzionamento, in un'oscillazione di grande ampiezza e quasi monofrequenza. Il rumore è sgradevole; il problema vero è che l'ampiezza di pressione moltiplica i carichi strutturali e termici.
Il meccanismo
L'oscillazione nasce da un anello di retroazione fra il rilascio di calore e l'onda acustica di pressione. Se la fluttuazione del rilascio di calore è in fase con l'onda di pressione, la combustione pompa energia nell'onda acustica; l'onda a sua volta modula la miscelazione e la velocità del flusso e fa fluttuare di nuovo il rilascio di calore. L'anello si chiude e l'ampiezza cresce finché gli effetti non lineari la limitano.
A decidere è la relazione di fase: in fase alimenta, in opposizione di fase smorza.
Perché è difficile eliminarla in progetto
La relazione di fase dipende dal tempo che il combustibile impiega dal punto di iniezione alla zona di fiamma (il ritardo convettivo) e dalla lunghezza acustica della camera. Entrambi cambiano con il punto di funzionamento. Un sistema stabile a un carico può quindi essere instabile a un altro, e l'instabilità compare di norma sul campo, in una banda di funzionamento stretta.
Non è un caso che i progetti a basso NOx vi siano più soggetti: la combustione magra premiscelata rende il rilascio di calore più sensibile alle fluttuazioni del flusso. Vedi la nota sugli NOx.
L'approccio di modellazione
Una soluzione completa è costosa: le onde acustiche e la fluttuazione del rilascio di calore vanno risolte insieme, il che significa un calcolo comprimibile e transitorio. Poiché il numero di Mach è basso, è anche numericamente impegnativo.
La via pratica ha due passi: estrarre separatamente i modi acustici della camera, poi determinare come la fiamma risponde a quei modi (la funzione di trasferimento di fiamma). Combinando i due si ottiene la mappa di stabilità.
Rimedi passivi
Risonatori di Helmholtz, rivestimenti acustici, modifica dell'impedenza dell'alimentazione del combustibile. Tutti sono accordati su una frequenza particolare, e il compito dell'analisi è prevederne in anticipo frequenza e ampiezza.
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
- Ferziger, J. H., Perić, M. & Street, R. L. (2020). Computational Methods for Fluid Dynamics, 4th ed. Springer. DOI: 10.1007/978-3-319-99693-6