COMBUSTA Project - Abstract
Il progetto COMBUSTA è finalizzato alla progettazione, realizzazione e sperimentazione di un impianto innovativo di fiamma a controdiffusione, concepito per lo studio approfondito dei fenomeni di combustione di vettori energetici sia gassosi che liquidi, operanti in condizioni estreme di pressione e temperatura.
Gli ugelli del sistema sono stati realizzati mediante l’impiego di tecnologie di Additive Layer Manufacturing (ALM) su polveri metalliche di leghe alto-prestazionali, selezionate per la loro eccellente resistenza meccanica e termica. L’utilizzo di questa tecnologia ha permesso di sviluppare un design su misura, in grado di soddisfare i requisiti di distribuzione del flusso e di garantire la presenza di adeguati canali interni di raffreddamento.
Attraverso un set completo di analisi CFD (Computational Fluid Dynamics) e termo-strutturali, è stata definita una configurazione sperimentale ottimale, capace di supportare una campagna di testing avanzata. Questa include l’impiego di sensoristica ad alta sensibilità e sistemi di controllo del processo, che garantiscono il monitoraggio in tempo reale dei parametri critici e la ripetibilità delle prove in ambiente controllato. L’approccio metodologico adottato è essenziale per la validazione di modelli numerici predittivi affidabili e per l’ottimizzazione delle prestazioni di sistemi propulsivi di nuova generazione, destinati ad applicazioni in ambito terrestre, navale e aeronautico.
COMBUSTA si colloca strategicamente all’interno delle direttrici di sviluppo tecnologico dell’industria aeronautica, contribuendo in modo significativo agli obiettivi di sostenibilità energetica, riduzione delle emissioni e transizione verso soluzioni più efficienti e pulite. L’integrazione di metodologie produttive innovative, sostenibili e orientate all’economia circolare rappresenta un elemento chiave per il superamento dello stato dell’arte, consentendo di migliorare la qualità e l’efficacia dell’analisi dei processi di combustione e di promuovere l’adozione di tecnologie avanzate nel settore della propulsione
OBIETTIVI
L'obiettivo di COMBUSTA è la progettazione, realizzazione e testing di un impianto di fiamma a contro-diffusione per combustibili liquidi e gassosi ad alta pressione e temperatura di alimentazione.
Sfruttando tecnologie additive, in grado di realizzare geometrie complesse e design non convenzionali attraverso l’utilizzo di materiali innovativi, il sistema è concepito per analizzare le proprietà reattive e i fenomeni di combustione di diverse tipologie di vettori energetici – sia di origine carbonica che non – in fase gassosa e liquida. Le analisi sperimentali svolte consentiranno di ottenere dati significativi per valutare l’adeguatezza di carburanti innovativi all’utilizzo in sistemi propulsivi innovativi.
Il sistema è stato progettato per operare a pressioni elevate, con accesso ottico diretto alla zona di fiamma e linee di alimentazione dei reagenti digitalmente controllate e preriscaldabili su un ampio intervallo di temperature.
Queste caratteristiche permettono di investigare in modo controllato, mediante tecniche diagnostiche ottiche e chimiche avanzate, i processi chimico-fisici coinvolti e le loro interazioni, supportando lo sviluppo e la validazione di modelli numerici ad alta fedeltà relativi alla dinamica dei processi, alla formazione e all’emissione degli inquinanti.
Tale approccio risulta particolarmente rilevante nel contesto dei sistemi di propulsione terrestri, navali e aeronautici, dove le elevate pressioni operative e la sensibilità dei parametri chimico-fisici impongono un’accurata definizione e validazione dei modelli numerici impiegati.
RISULTATI
Le attività condotte nel corso del progetto hanno portato alla progettazione e alla realizzazione di un impianto di fiamma a controdiffusione funzionante, caratterizzato da specifiche tecniche conformi ai requisiti previsti per la sperimentazione. I principali obiettivi raggiunti riguardano:
• La definizione dei requisiti del sistema di prova, basata su un’approfondita analisi della letteratura scientifica relativa alle configurazioni di fiamma a controdiffusione, che ha permesso di individuare i parametri critici per la progettazione.
• L’ottimizzazione del processo produttivo, attraverso il tuning dei parametri e l’impiego della tecnologia Selective Laser Melting, utilizzando polveri di materiali ad alte prestazioni in grado di garantire resistenza alle elevate temperature e pressioni presenti nella camera di combustione.
• la progettazione, lo sviluppo e il design dell’impianto garantendo la conformità ai requisiti individuati;
• Lo svolgimento di simulazioni CFD per validare l’efficacia del design dell’impianto per quanto riguarda le condizioni di distribuzione del flusso durante i test sperimentali.
• Lo svolgimento di simulazioni FEM per valutare la resistenza della struttura alle sollecitazioni termiche e meccaniche previste;
• La realizzazione del sistema di prova, supportata da tecnologie ALM che hanno consentito la produzione di componenti con geometrie complesse e canali interni, garantendo al contempo elevata precisione, affidabilità e ripetibilità.
SVILUPPI FUTURI
Il progetto COMBUSTA si posiziona in linea con i principali driver e trend internazionali nel settore dell'aviazione e della sostenibilità energetica. Tra questi trend rientrano l'adozione di combustibili non-carbonici e liquidi sostenibili, la riduzione delle emissioni e l'ottimizzazione dell'efficienza dei motori aeronautici. Inoltre, l'uso di tecnologie additive per la progettazione e la produzione di componenti per il sistema in esame rappresenta un'altra tendenza chiave nel settore, consentendo la realizzazione di geometrie complesse e innovative con materiali avanzati.
Alla luce dei risultati ottenuti, il progetto COMBUSTA apre prospettive significative per l’evoluzione delle tecnologie di combustione in ambito propulsivo, con particolare riferimento ai settori aeronautico, navale e terrestre. Le future attività si concentreranno sull’ampliamento delle capacità sperimentali dell’impianto, includendo l’analisi di nuovi vettori energetici a basso impatto ambientale, come combustibili sintetici, biofuel e idrogeno, in linea con le direttive europee e internazionali sulla decarbonizzazione.
Un ulteriore sviluppo riguarderà l’integrazione di tecniche diagnostiche avanzate, quali spettroscopia laser e imaging ad alta velocità, per la caratterizzazione dettagliata dei fenomeni di combustione e la validazione di modelli numerici ad alta fedeltà. Questi strumenti permetteranno di ottenere dati quantitativi sempre più accurati, utili per la progettazione di sistemi propulsivi ottimizzati in termini di efficienza energetica e riduzione delle emissioni.
COMBUSTA si propone così come piattaforma abilitante per la sperimentazione e l’innovazione, contribuendo attivamente alla transizione energetica e al raggiungimento degli obiettivi di neutralità climatica.
