Simulazioni numeriche contro l'inquinamento

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Particolato, particolato sospeso, pulviscolo atmosferico, polveri sottili... Sono termini che identificano l'insieme delle sostanze sospese in aria (fibre, particelle carboniose, metalli, silice, inquinanti liquidi o solidi) oggi considerate gli inquinanti di maggiore impatto nelle zone urbane. Il particolato carbonioso (soot), in particolare, è una polvere nera che si può ottenere come sottoprodotto della combustione incompleta di una qualsiasi sostanza organica e può facilmente essere osservato su tutte le superfici esposte a fumi di combustione, quali, ad esempio, i condotti di scarico dei veicoli a motore.

Molteplici studi hanno correlato la pericolosità per la salute di tali particelle non solo alla loro concentrazione nell'aria ma anche alla loro dimensione. Si parla infatti di particelle disperse nell'atmosfera con un diametro di circa un milionesimo di metro.

Le emissioni dei veicoli contribuiscono significativamente alla formazione di tali inquinanti, ma il motore diesel è meno dannoso rispetto agli altri propulsori a combustione interna. Per migliorarne la qualità è necessaria però la progettazione di modelli più efficienti e puliti. Proprio a questo si dedicano i ricercatori dell'Istituto motori (Im) del Cnr.

"Tali obiettivi possono essere raggiunti solo attraverso una comprensione approfondita e completa dei fenomeni fisici e chimici che portano alla formazione degli inquinanti", spiega Maya Briani dell'Im-Cnr. "A tale scopo risultano determinanti i modelli matematici e una loro affidabile risoluzione. In questo contesto, finora è stata dedicata poca attenzione alla descrizione  dettagliata del processo di formazione del soot, privilegiando aspetti diversi delle simulazioni, come per esempio fluidodinamica, costruzione delle griglie mobili e cinetica chimica per la fase gas".

Ma come si studiano la formazione e la concentrazione del particolato carbonioso all'interno del cilindro, l'evoluzione e la dinamica fino all'espulsione allo scarico?

"La ricerca sperimentale in questi casi non è sempre in grado di rispondere", precisa la ricercatrice dell'Im-Cnr, "per questo viene affiancata da un'intensa attività di simulazione numerica in grado di 'farci vedere quello che non si vede'. Nel caso delle particelle, l'uso nelle simulazioni motoristiche di modelli di cinetica chimica dettagliata permette di predire e riprodurre non solo la massa di fuliggine emessa allo scarico, ma anche le dimensioni delle particelle e la variabilità di tali dimensioni al cambiare delle condizioni operative. Si tratta di modelli che coinvolgono almeno 150 specie chimiche e 1.500 reazioni. Il numero di equazioni differenziali da risolvere è elevatissimo e richiede tecniche di risoluzione numerica adeguate, in grado di contenerne il costo computazionale".

Un costo che rimane comunque meno oneroso di alcuni strumenti necessari a questo tipo di indagine sperimentale.

Elena Campus

Fonte: Maya Briani, Istituto motori, Napoli, tel. 081/7177198 , email m.briani@im.cnr.it