ETD

• chemiluminescence
• e-fuels
• exhaust emissions
• green fuels
• hydrogen combustion
• methanol combustion
• non-premixed flames

This thesis investigates the combustion of synthetic fuels (e-fuels), specifically hydrogen and methanol, inside a Stagnation Point Reverse Flow (SPRF) combustor. The work is divided into two complementary parts: a laboratory experimental campaign and a CFD numerical modeling study in ANSYS Fluent.
In the experimental phase, several operating conditions were investigated by varying thermal power, air inlet temperature, equivalence ratio, and the air inlet nozzle diameter. This activity allowed the construction of a reliable database for hydrogen and the identification of optimal operating conditions for stable, low-emission combustion in the case of methanol, monitoring exhaust gases and the flame structure via OH* radical chemiluminescence.
In the numerical phase, a 2D axisymmetric CFD model based on the Partially Stirred Reactor (PaSR) combustion model, implemented via a custom UDF, was developed and calibrated. The simulations were validated by comparing exhaust emissions and correlating numerical Heat Release Rate (HRR) maps with experimental chemiluminescence images. The validated model made it possible to overcome the diagnostic limitations of single-point laboratory measurements, reconstructing in detail the flame macrostructure, thermal fields, and internal recirculation zones of the reactor.

Questa tesi analizza la combustione di combustibili sintetici (e-fuels), nello specifico idrogeno e metanolo, all'interno di un combustore a punto di ristagno con flusso inverso (SPRF). Il lavoro si articola in due parti complementari: una campagna sperimentale di laboratorio e uno studio di modellazione numerica CFD in ANSYS Fluent.
Nella fase sperimentale sono stati investigati diversi punti operativi variando potenza termica, temperatura di ingresso dell'aria, rapporto di equivalenza e diametro dell'ugello di ingresso dell'aria. L'attività ha permesso di costruire un database affidabile per l'idrogeno e di individuare le condizioni operative ottimali per una combustione stabile e a basse emissioni nel caso del metanolo, monitorando i gas di scarico e la struttura di fiamma tramite chemiluminescenza del radicale OH*.
Nella fase numerica è stato sviluppato e calibrato un modello CFD 2D assialsimmetrico basato sul modello di combustione PaSR (Partially Stirred Reactor) implementato via UDF. Le simulazioni sono state validate confrontando le emissioni allo scarico e correlando le mappe numeriche di Heat Release Rate (HRR) con le immagini sperimentali di chemiluminescenza. Il modello validato ha così permesso di superare i limiti diagnostici delle misure puntuali di laboratorio, ricostruendo nel dettaglio la macrostruttura della fiamma, i campi termici e le zone di ricircolo interne al reattore.