Sviluppo e validazione di modelli di eiettori per sistemi con celle a combustibile

Abstract

Gli eiettori rappresentano una soluzione di particolare interesse per il ricircolo dei reagenti nei sistemi a celle a combustibile, grazie alla semplicità costruttiva, all’assenza di parti mobili e alla possibilità di sfruttare direttamente l’energia disponibile nel flusso primario. La previsione delle loro prestazioni risulta tuttavia complessa a causa dell’interazione tra il getto primario e il flusso secondario e dei fenomeni di miscelamento turbolento che ne governano il funzionamento. Il presente lavoro riguarda lo sviluppo e la validazione di un modello 0D di eiettore, implementato in ambiente MATLAB – Simulink e basato su un approccio a parametri concentrati. L’obiettivo è ottenere uno strumento caratterizzato da un ridotto costo computazionale, adatto all’integrazione in modelli dinamici di sistemi Fuel Cell, mantenendo un’adeguata capacità di rappresentare i principali fenomeni fisici che determinano le prestazioni del componente. Lo sviluppo del modello è stato supportato dal confronto con simulazioni CFD tridimensionali RANS, realizzate mediante un modello di turbolenza avanzato. L’analisi dei risultati CFD ha permesso di individuare i principali fenomeni fluidodinamici che influenzano le prestazioni dell’eiettore e di introdurre nel modello formulazioni in grado di rappresentarne gli effetti. La validazione ha evidenziato un ottimo accordo con i risultati CFD nell’intervallo operativo analizzato.

Ejectors represent a particularly attractive solution for reactant recirculation in fuel cell systems, owing to their simple construction, absence of moving parts, and ability to directly exploit the energy available in the primary flow. However, predicting their performance is challenging due to the interaction between the primary jet and the secondary flow and the turbulent mixing phenomena governing their operation. This work focuses on the development and validation of a 0D ejector model, implemented in MATLAB – Simulink and based on a Lumped Volume approach. The objective is to obtain a computationally efficient tool suitable for integration into dynamic models of fuel cell systems, while retaining an adequate capability to represent the main physical phenomena determining the component performance. The model development was supported by comparison with threedimensional RANS CFD simulations performed using an advanced turbulence model. The analysis of the CFD results made it possible to identify the main fluid-dynamic phenomena affecting ejector performance and to introduce formulations into the model capable of representing their effects. Validation showed excellent agreement with the CFD results over the investigated operating range.