إعلان PRIN 2022D. D. N. 104 بتاريخ 2 فبراير 2022

عنوان المشروع: تقنية التوأم الرقمي لتطوير محرك هيدروجيني بالحقن المباشر منخفض الضغط (LP-DI) للتطبيقات الثقيلة (DHYCE-HD)

CODICE CUP: D53D23004150006

ميزانية جامعة بوليتكنيك باري: € 148.702

مسؤول وحدة البحث: الأستاذ Pietro De Palma

وحدات البحث الأخرى: جامعة بوليتكنيك ميلانو (الأستاذ Gianluca D’Errico)

وصف موجز للمشروع

صُمّم مشروع DHYCE-HD (تقنية التوأم الرقمي لتطوير محرك هيدروجيني بالحقن المباشر منخفض الضغط للتطبيقات الثقيلة) لتسريع الانتقال إلى أنظمة دفع عديمة الانبعاثات، من خلال إنشاء إطار عمل عددي متقدم مخصص لمحركات الاحتراق الداخلي العاملة بالهيدروجين.

ينقسم المشروع إلى حزم عمل (WP) مختلفة، وقد أتاح التعاون بين مجموعتي البحث في جامعتي بوليتكنيك ميلانو وباري. وتتولى مجموعة بوليتكنيك ميلانو المسؤولية الرئيسية عن تطوير نهج عددي موثوق سيشكّل البنية الأساسية للتوأم الرقمي. وتركزت الأنشطة البحثية على تطوير أدوات المحاكاة المتقدمة أحادية البعد (1D) وديناميكا الموائع الحسابية ثلاثية الأبعاد (CFD 3D) ودمجها، ولا سيما الشيفرتين Gasdyn وLibICE. وقد عُزّزت هذه الأدوات للتعامل مع الخصائص المميزة والمعقدة لاحتراق الهيدروجين، مثل سرعة اللهب العالية جدًا، وطاقة الاشتعال المنخفضة، ونطاق قابلية الاشتعال الواسع.

تتولى جامعة بوليتكنيك باري مسؤولية تطبيق الطرق العددية غير التذبذبية (WENO). وتُعد هذه المخططات عالية الدقة أساسية لالتقاط موجات الصدمة المعقدة والانقطاعات المميزة لنفاثات الهيدروجين عالية السرعة، ما يحسّن بدرجة كبيرة متانة المحاكاة ودقتها.

يتمثل النشاط البحثي الرئيسي في إجراء دراسة متوازية لمحرك للتطبيقات الثقيلة مزود بنظام حقن مباشر للهيدروجين (H₂-DI). ويُجرى هذا التحليل عند نقاط تشغيل متعددة، مع مقارنة مناهج النمذجة الراسخة بالأساليب الجديدة المطوّرة. وأخيرًا، يخضع إطار العمل العددي بأكمله لعملية تحقق صارمة باستخدام بيانات تجريبية متاحة في المراجع العلمية، لضمان دقة القدرات التنبؤية لمنصة DHYCE-HD وموثوقيتها في التطبيقات الصناعية.

الأهداف

1. تحديد المزايا والعيوب الرئيسية لمحرك هيدروجيني بالحقن المباشر منخفض الضغط (LP-DI) للتطبيقات الثقيلة.

2. تعزيز الخبرات التقنية المتعلقة بتكنولوجيا محركات الهيدروجين، مع إيلاء اهتمام خاص لما يلي: أ) العمليات الفيزيائية المعقدة لحقن الهيدروجين مباشرةً في المحركات وتكوين الخليط لاحقًا؛ ب) تأثير ضغط حقن H₂ ومعدل تدفقه، فضلًا عن موضع الحاقن وهندسته، في كفاءة المحرك والانبعاثات؛ ج) الاحتراق المضطرب لخلائط الهواء والهيدروجين الممزوجة مسبقًا، بما في ذلك الظروف الطبقية، مع تحديد حد الاحتراق الفقير ومخاطر الطرق؛ د) تكوّن أكاسيد النيتروجين داخل الأسطوانة واستراتيجيات الحد منها؛

3. تطوير منهجيات سريعة ودقيقة لديناميكا الموائع الحسابية (CFD)، لتطبيقها على محركات الهيدروجين ذات الحقن المباشر (DI)، بالاستناد إلى تقنيات مفتوحة المصدر تتيح الاستفادة منها في الأنشطة البحثية المستقبلية؛

4. تحديد تكوين افتراضي لمحرك هيدروجيني بالحقن المباشر منخفض الضغط (LP-DI) للتطبيقات الثقيلة، يتسم بكفاءة عالية وانبعاثات منخفضة من أكاسيد النيتروجين (NOx).

النتائج الرئيسية المتوقعة:

1. إعداد تقرير مُحدَّث عن أحدث ما توصلت إليه المعرفة بشأن استخدام الهيدروجين وقودًا في محركات الاحتراق الداخلي؛

2. وضع علاقات ترابطية لسرعة الاحتراق الصفائحي لاستخدامها في شفرات CFD ونماذج 1D؛

3. اكتساب المعرفة بالجوانب الأساسية لحقن الهيدروجين ومزجه واحتراقه، بما في ذلك تقييم المخططات العددية عالية الدقة؛

4. وضع منهجية عددية دقيقة مطوَّرة خصيصًا لمحركات LP-DI العاملة بالهيدروجين؛

5. تقييم أداء محرك افتراضي مُحسَّن، مزوّد بشاحن توربيني ويعمل بالهيدروجين بنظام LP-DI، واستهلاكه للوقود وانبعاثاته، في ظروف التشغيل المستقرة والانتقالية على حد سواء؛

6. تقييم تأثير توقيت بدء الحقن وتوقيت تقديم الإشعال على الاشتعال المسبق وانبعاثات NOx في ظروف الاحتراق الفقير؛

7. وضع توأم رقمي لغرفة الاحتراق في محرك LP-DI يعمل بالهيدروجين، مع إثبات إمكانية تحقيق أداء استثنائي من حيث الكفاءة والانبعاثات باستخدام وقود عديم انبعاثات الكربون؛

8. إنتاج معلومات تقنية مفصلة لتصنيع محرك يعمل بالهيدروجين «الأخضر»، بما يحقق آثارًا اقتصادية واجتماعية مهمة في قطاعي التنقل والطاقة في أوروبا وإيطاليا، في سياق التحول البيئي نحو اقتصاد مستدام.

النتائج المحققة

حققت وحدة البحث (RU) في جامعة بوليتكنيك باري نتائج مهمة، إذ طوّرت منهجيات عددية عالية الدقة لحقن الهيدروجين ومزجه وتحققت من صلاحيتها. وعلى وجه الخصوص، أتاح تطبيق مخططات WENO عالية الرتبة تمثيل نفاثات الهيدروجين فائقة التمدد بدقة، مع التقاط البنى الصدمية المعقدة، وعدم استقرار نفاثات الهيدروجين، وديناميكيات المزج بدقة تفوق المخططات التقليدية. وتمثل هذه التطورات تقدمًا مهمًا في معالجة إحدى أبرز التحديات التي تواجه محركات الهيدروجين ذات الحقن المباشر، وهي المزج السريع والفعّال للهواء والوقود في ظروف جريان شديدة الانضغاط.

وبالتوازي، طُوّرت علاقات تحليلية لسرعة الاحتراق الصفائحي ومقاربات حركية مُجدولة للاشتعال الذاتي، مما أتاح نماذج متينة وفعّالة من الناحية الحسابية للتنبؤ بالاحتراق والطرق في المحاكاة أحادية وثلاثية الأبعاد.

تم توسيع الإطار العددي المُعتمَد ليشمل محاكاة ديناميكيات الموائع الحسابية ثلاثية الأبعاد لدورة المحرك بأكملها. كما جرى تطوير منهجية موثوقة للاقتران بين النماذج أحادية وثلاثية الأبعاد والتحقق من صلاحيتها، ومقارنتها ببيانات تجريبية لمحرك يعمل بالهيدروجين، مما أثبت قدرتها على إعادة إنتاج تطور الضغط داخل الأسطوانة وبُنى التدفق وخصائص الاضطراب بدقة. كذلك أُجريت تحليلات مفصلة لعمليات تكوين الخليط والاحتراق في تكوينات تعمل بالهيدروجين.

طُبّقت منهجية WENO بنجاح على محاكاة ثلاثية الأبعاد كاملة لمحرك الاحتراق الداخلي موضع الدراسة. وحُلّلت ثلاث حالات تشغيل تميزت باختلاف توقيت بدء حقن الهيدروجين (SOI = 540, 630 و660 CAD)، مع ثبات ضغط الحقن. وقد أتاحت هذه الدراسة تقييمًا مباشرًا لتأثير المخططات العددية عالية الرتبة على التنبؤ بظواهر الحقن والاختلاط وتطور التدفق داخل الأسطوانة في ظروف تشغيل واقعية للمحرك. وأكدت النتائج قدرة أكبر للنهج القائمة على WENO على التقاط التدرجات الحادة والتفاعلات بين موجات الصدمة وآثار التطبّق، مما يعزز موثوقية التنبؤات في محاكاة ديناميكيات الموائع الحسابية ويسهم مباشرة في تطوير توأم رقمي عالي الدقة.

بوجه عام، توفر هذه النتائج قاعدة علمية وتقنية متينة للتطورات المستقبلية في مجال محركات الاحتراق الداخلي العاملة بالهيدروجين، وتسهم في تقدم تقنيات الدفع عديمة انبعاثات الكربون لقطاع المركبات الثقيلة.