SIMULAZIONE NUMERICA AD ALTA FEDELTÀ DELL'ACCELERAZIONE DI FIAMMA DI IDROGENO IN CANALI CON OSTACOLI

The progressive transition from classical carbon-based fuels to alternative decarbonized energy vectors is crucial to address climate change. Among the numerous alternatives, hydrogen is one of the most promising candidate due to its high specific energy content and its carbon-free combustion. However, its widespread adoption is hindered by safety concerns arising from hydrogen's intrinsic properties, namely, its high diffusivity, low ignition energy, and strong reactivity, which complicate operations such as handling and storage. These properties markedly increase the risk of accidental ignition and transition from deflagration to detonation. In this context, the study reported in the manuscript sheds lights onto the main mechanisms driving the flame acceleration phenomenon in geometrically obstructed configurations. For such a purpose, this investigation focuses on the propagation of a hydrogen-air stoichiometric flame, propagating in a channel partially obstructed by the presence of a bluff body. High-fidelity simulations are conducted using a Large-Eddy Simulation (LES) approach within the AVBP framework, a compressible solver developed at CERFACS. Both two- and three-dimensional configurations are investigated to assess the role of the domain dimensionality on the turbulence generation and flame-vortex interaction dynamics. The simulations leverage a dynamic thickening flame model, a sub-grid turbulent combustion efficiency model, and a range of mesh refinement strategies to assess the effects related to the accurate resolution of the shear layer and small-scales flame structures. The results reveal that the third dimension plays a pivotal role in replicating the experimentally observed dynamics, yet the two-dimensional configuration remain an extremely valuable numerical asset for evaluating different simulation strategies and to investigate the main mechanisms involved in flame acceleration. Mesh resolution is the most critical parameter explored, achieving significantly greater predictive capabilities as the characteristic cell size decreases. Nevertheless, by adopting coarser meshes and appropriate modeling strategies, it is possible to capture the trends obtained with the finest meshes.

Il passaggio progressivo dai combustibili classici a base di carbonio a vettori energetici alternativi decarbonizzati è fondamentale per affrontare il cambiamento climatico. Tra le numerose alternative, l'idrogeno è uno dei candidati più promettenti grazie al suo elevato contenuto energetico specifico e alla sua combustione priva di carbonio. Tuttavia, la sua diffusione su larga scala è ostacolata da preoccupazioni legate alla sicurezza, derivanti dalle proprietà intrinseche dell’idrogeno, ovvero la sua elevata diffusività, la bassa energia di accensione e l’elevata reattività, che complicano operazioni come la manipolazione e lo stoccaggio. Tali proprietà aumentano significativamente il rischio di accensioni accidentali e di transizione dalla deflagrazione alla detonazione. In questo contesto, lo studio riportato nel manoscritto fa luce sui principali meccanismi che guidano il fenomeno di accelerazione della fiamma in configurazioni geometricamente ostruite. A tal fine, l’indagine si concentra sulla propagazione di una fiamma stechiometrica idrogeno-aria, che si propaga in un canale parzialmente ostruito dalla presenza di un corpo tozzo (bluff body). Simulazioni ad alta fedeltà sono condotte utilizzando un approccio di Large-Eddy Simulation (LES) all’interno del framework AVBP, un risolutore comprimibile sviluppato presso il CERFACS. Sono investigate configurazioni sia bidimensionali che tridimensionali per valutare il ruolo della dimensionalità del dominio nella generazione di turbolenza e nelle dinamiche di interazione tra la fiamma e i vortici. Le simulazioni si avvalgono di un modello dinamico di ispessimento della fiamma, un modello sub-griglia per l’efficienza della combustione turbolenta, e di diverse strategie di raffinamento della mesh per valutare gli effetti legati alla risoluzione accurata dello strato di taglio e delle strutture della fiamma su piccola scala. I risultati rivelano che la terza dimensione svolge un ruolo cruciale nella riproduzione delle dinamiche osservate sperimentalmente, ma la configurazione bidimensionale rimane un valido strumento numerico per valutare diverse strategie di simulazione e per investigare i principali meccanismi coinvolti nell’accelerazione della fiamma. La risoluzione della mesh è il parametro più critico esplorato, con un notevole miglioramento della capacità predittiva al diminuire della dimensione caratteristica della cella. Tuttavia, adottando mesh più grossolane e strategie di modellazione adeguate, è possibile catturare le tendenze ottenute con le mesh più fini.