RICERCA ITALIANA     

Incremento delle prestazioni termofluidodinamiche di sistemi a flusso interno in regime di convezione mista

Università degli Studi di Bologna

Abstract

Scopo del programma di ricerca e' l'approfondimento di tematiche di base ed applicative della convezione mista. Le finalita' principali consistono nell'analizzare aspetti della modellistica fisico-matematica della convezione mista, nonche' nel fornire risultati innovativi per le applicazioni tecnologiche. Gli ambiti applicativi dei processi di convezione mista sono estremamente differenziati ed includono: il controllo termico dei sistemi elettronici, i sistemi di sicurezza negli impianti nucleari, le celle a combustibile, i sistemi solari termici e fotovoltaici, i trattamenti termici dei materiali (saldatura, laminazione a caldo, trafilatura, estrusione, colatura), la Chemical Vapour Deposition (CVD). L'integrazione tra l'analisi della modellistica di base e lo sviluppo di informazioni utili alle applicazioni in ambito industriale e' un aspetto connaturato all'ambito della convezione mista. Lo studio di processi di convezione mista prevede infatti il simultaneo controllo di differenti fenomeni fisici e caratteristiche del sistema che contribuiscono a definire gli elementi distintivi del processo termofluidodinamico. Tra questi, si possono annoverare: la geometria del condotto entro il quale avviene il moto del fluido, le condizioni al contorno termiche sulle pareti del condotto, l'eventuale moto relativo tra le pareti del condotto, la stabilita' del moto, il comportamento reologico del fluido, l'effetto della dissipazione viscosa, l'eventuale presenza di un mezzo poroso saturato dal fluido. Accade molto frequentemente che l'analisi di un processo di convezione mista nell'ambito di una specifica applicazione tecnologica richieda un esame molto attento del modo in cui i suddetti fenomeni possono concorrere a determinare i campi di velocita' e di temperatura del fluido. Risulta dunque impossibile concepire il potenziamento e l'innovazione di processi tecnologici basati su flussi in regime di convezione mista senza una strettissima integrazione tra ricerca di base e ricerca applicata. Su tale duplice natura si basa il presente programma di ricerca.
Saranno approfondite le conoscenze di base e fornite nuove correlazioni di progetto per favorire lo sviluppo e l'ottimizzazione termofluidodinamica di sistemi di scambio termico costituiti da condotti o cavita' contenenti un fluido che circola in regime di convezione mista. In particolare, saranno sviluppate soluzioni analitiche, semianalitiche o numeriche in alcune geometrie basilari, come canali piani e condotti con sezione circolare, anulare e rettangolare. Saranno prese in esame diverse condizioni al contorno termiche, comprensive anche di casi privi di simmetria assiale, fornendo una considerevole gamma di soluzioni di riferimento. Tali soluzioni terranno conto anche di modelli reologici non newtoniani, di variazioni apprezzabili della viscosita' del fluido con la temperatura, della non-linearita' dell'equazione di stato del fluido. Esse consentiranno, tra l'altro, di indagare l'effetto delle forze di galleggiamento sul valore delle perdite di carico. Inoltre, le ricerche avranno lo scopo di approfondire le conoscenze sulla convezione mista in canali inclinati con pareti convergenti o divergenti, anche attraverso indagini sperimentali. Gli studi consentiranno di analizzare i moti secondari vorticosi e l'effetto stabilizzante sui vortici indotto dall'inclinazione o dal movimento relativo delle pareti. Infine, saranno studiati i fenomeni di innesco e stabilizzazione dei moti secondari in cavita' rettangolari o anulari con asse orizzontale, che vengono aperte alle estremita' e in cui viene impresso un gradiente di pressione assiale. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Antonio BARLETTA Università degli Studi di BOLOGNA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Una parte essenziale della progettazione di molti apparati tecnologici di notevole interesse per l'industria e' costituita dallo studio e dall'ottimizzazione di processi di convezione mista entro condotti o cavita' parzialmente aperte. Cio' accade, ad esempio, nella progettazione di scambiatori di calore, di pile a combustibile, di sistemi di raffreddamento per apparati elettronici, di dispositivi per la lavorazione dei polimeri o per la fabbricazione di film sottili mediante la tecnica della Chemical Vapour Deposition (CVD). La ricerca-sviluppo condotta dalle aziende in questi settori, allo scopo di ottimizzare le prestazioni termiche e fluidodinamiche degli apparati, utilizza correlazioni di progetto gia' disponibili o simulazioni numeriche con codici di calcolo che impiegano i modelli fisico-matematici consolidati nella letteratura scientifica. Nel caso dei fenomeni di convezione mista con forti effetti delle forze di galleggiamento, questo metodo di indagine non puo' fornire risultati soddisfacenti se non e' affiancato da un'attività di ricerca piu' approfondita. Infatti, le correlazioni di progetto gia' disponibili sono poco abbondanti; inoltre, il problema fisico-matematico da studiare e' molto complesso, poiche' richiede la soluzione simultanea delle equazioni di bilancio locale della massa, della quantita' di moto e dell'energia. Nascono cosi' due problematiche fondamentali.
Un primo problema e' costituito dalla necessità di controllare l'affidabilita' e l'accuratezza delle soluzioni numeriche mediante soluzioni analitiche o risultati sperimentali di benchmark, che si riferiscono a situazioni piu' semplici ma simili a quelle in esame. I risultati di benchmark non sono ancora sufficientemente abbondanti nella letteratura scientifica, e si riferiscono solo a poche geometrie e a poche condizioni al contorno termiche o dinamiche. Un secondo problema, ancor piu' complesso, nasce dalla necessita' di approfondire la conoscenza della modellistica fisico-matematica di base della convezione mista, soprattutto per i problemi di moto interno. Infatti, i modelli fisico-matematici usualmente impiegati per lo studio dei fenomeni di convezione mista contengono forti semplificazioni, che possono risultare non adeguate per alcune classi di problemi. Recenti studi hanno dimostrato, ad esempio, che la scelta della temperatura di riferimento del fluido, nell'ambito dell'approssimazione di Boussinesq, puo' avere effetti importanti nella determinazione dei campi di pressione, di velocita' e di temperatura, e deve essere effettuata in modo opportuno. E' stato mostrato, inoltre, che l'approssimazione di Boussinesq non e' sufficiente a fornire una modellistica termofluidodinamica completa di problemi di convezione mista all'interno di condotti, in presenza di un gradiente di temperatura assiale.
Le problematiche sopra illustrate mostrano chiaramente che lo sviluppo di soluzioni analitiche o semianalitiche di benchmark, l'individuazione di modelli fisico-matematici piu' precisi di quelli ora in uso e la determinazione di correlazioni sperimentali di riferimento potranno dare un forte contributo all'ottimizzazione delle prestazioni termofluidodinamiche di sistemi a flusso interno, in regime di convezione mista.
L'importanza di studi analitici, numerici e sperimentali di base, nell'ambito della convezione mista entro condotti, e' resa ancor piu' evidente da altri recenti risultati di ricerca. Infatti, e' stato mostrato che un gradiente di temperatura trasversale alla direzione principale del moto, modificando la distribuzione di velocita' e di conseguenza lo sforzo tangenziale alla parete, puo' essere causa di forti variazioni della perdita di carico fino a determinare, in alcune circostanze, una perdita di carico negativa ovvero un aumento del carico piezometrico lungo il moto. Questo fenomeno, che sara' oggetto di ulteriori studi e di validazioni sperimentali, potrebbe dare luogo a nuove tecniche di innalzamento delle prestazioni termofluidodinamiche di sistemi di scambio termico con circolazione prodotta dalle forze di galleggiamento. E' stato anche mostrato che, per cavita' anulari con asse orizzontale contenenti un fluido, l'apertura delle sezioni terminali accoppiata ad un gradiente di pressione imposto tra queste sezioni puo' essere una valida tecnica di controllo dei moti convettivi.
Lo scopo di questa ricerca e' approfondire le conoscenze di base e fornire nuove correlazioni di progetto per favorire lo sviluppo e l'ottimizzazione termofluidodinamica di sistemi di scambio termico costituiti da condotti o cavita' contenenti un fluido che circola in regime di convezione mista, cioe' con rilevanti effetti delle forze di galleggiamento. In particolare, saranno sviluppate soluzioni analitiche o semianalitiche in alcune geometrie basilari, come canali piani e condotti con sezione circolare, anulare e rettangolare. Saranno prese in esame diverse condizioni al contorno termiche, comprensive anche di casi privi di simmetria assiale, fornendo una considerevole gamma di soluzioni esatte di riferimento. Tali soluzioni terranno conto anche di modelli reologici non Newtoniani, di variazioni apprezzabili della viscosita' del fluido con la temperatura, della non-linearita' dell'equazione di stato del fluido. Esse consentiranno, tra l'altro, di indagare l'effetto delle forze di galleggiamento sul valore delle perdite di carico; questo effetto sara' oggetto anche di ricerche numeriche e sperimentali. Ricerche numeriche e sperimentali avranno lo scopo di fornire nuove correlazioni di progetto e di approfondire le conoscenze fenomenologiche per la convezione mista in canali inclinati con pareti convergenti o divergenti. Le indagini faranno riferimento principalmente a condizioni al contorno di flusso termico uniforme o di temperatura uniforme su ciascuna parete. Gli studi consentiranno di analizzare i moti secondari vorticosi e l'effetto stabilizzante sui vortici dell'inclinazione delle pareti. Saranno studiati anche casi in cui le pareti del canale sono in moto relativo. Sara' evidenziata, in particolare, la fenomenologia del processo in prossimita' della transizione da un regime di moto dominato dalla convezione naturale ad uno dominato dagli effetti di trascinamento della superficie mobile. Un ampliamento della classe di geometrie considerate sara' ottenuto considerando cavita' chiuse di forma rettangolare con una superficie mobile. Saranno trattati anche casi in cui la cavita' e' resa parzialmente aperta allontanando la parete mobile dalle altre; sara' valutata, in tale circostanza, l'influenza dell'apertura sullo scambio termico nella cavita'. Infine, saranno studiati, con metodi numerici e sperimentali, i fenomeni di innesco e stabilizzazione dei moti convettivi secondari in cavita' rettangolari o anulari con asse orizzontale, che vengono aperte alle estremita' e in cui viene impresso un gradiente di pressione assiale. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La ricerca scientifica sul tema della convezione mista riceve una notevole attenzione per la sua importanza in numerose applicazioni tecnologiche. Il controllo dei fumi nei sistemi di sicurezza di edifici e gallerie, il controllo termico dei sistemi elettronici, i sistemi di sicurezza negli impianti nucleari, le celle a combustibile, i sistemi solari con collettori attivi o passivi e i sistemi fotovoltaici classici o ibridi rappresentano alcuni esempi di applicazione dello scambio termico in convezione mista. Inoltre, la convezione mista e' estremamente importante nei trattamenti termici, nella saldatura, nella laminazione a caldo, nella trafilatura di fili e fibre, nell'estrusione di metalli e di materie plastiche, nella colatura continua, nella fabbricazione dei materiali compositi e nella Chemical Vapour Deposition (CVD), utilizzata per il rivestimento di superfici [1-2].
Attualmente, le prestazioni termiche e fluidodinamiche, in regime di convezione mista, di sistemi per il controllo termico sia in ambito industriale che in ambito civile sono determinate mediante correlazioni codificate in letteratura [3-7]. Tuttavia, tali correlazioni, di origine teorica o sperimentale, sono fondate su modelli fisico-matematici non sempre completamente soddisfacenti. Ad esempio, per quanto riguarda i sistemi a flusso interno, le modellistiche usualmente utilizzate, basate sull'approssimazione di Boussinesq con una scelta arbitraria della temperatura di riferimento del fluido, non sembrano in alcuni casi sufficientemente affidabili. Risulta quindi di grande importanza l'approfondimento delle conoscenze di base sui temi della convezione mista, con particolare attenzione all'individuazione di metodologie innovative per l'ottimizzazione delle prestazioni termofluidodinamiche di dispositivi di scambio e controllo termico.
In letteratura, grande interesse e' rivolto alla modellizzazione fisico-matematica della convezione mista e naturale in condotti verticali o inclinati (A), condotti orizzontali (B) ed in cavita' parzialmente aperte (C).
A) Con riferimento a condotti verticali o inclinati, particolare attenzione e' rivolta a fluidi aventi una legge reologica non banale [8-13], all'effetto della dissipazione viscosa [14-16], alla presenza di un mezzo poroso [17-21], all'utilizzo di modelli non basati sull'approssimazione di Boussinesq [22-24].
In questo ambito di ricerca si ha un crescente interesse per la determinazione di soluzioni analitiche delle equazioni di bilancio locale di un fluido. Infatti, tali soluzioni costituiscono uno strumento indispensabile per lo sviluppo e la validazione dei codici di calcolo CFD. Inoltre, queste soluzioni consentono l'individuazione di eventuali incongruenze della modellistica termofluidodinamica sulla quale esse si basano.
La letteratura degli ultimi anni rivolge una notevole attenzione allo studio di fenomeni complessi di convezione mista, nei quali il fluido ha comportamento non newtoniano, oppure vi e' una dipendenza non trascurabile della viscosita' dalla temperatura oppure un rilevante effetto della dissipazione viscosa. In particolare, nel lavoro [10] viene studiata numericamente la convezione mista laminare di un fluido di Bingham in un condotto di sezione anulare eccentrica le cui pareti sono sottoposte a due distribuzioni uniformi di temperatura. Nel lavoro [11], viene condotto uno studio analitico della convezione mista di un fluido di Bingham e di un fluido a legge di potenza, con riferimento ad un condotto piano-parallelo verticale le cui pareti sono mantenute a temperature uniformi ma diverse. Nel lavoro [15], viene studiato analiticamente l'effetto della dissipazione viscosa sulla convezione mista completamente sviluppata in un canale orizzontale a doppio passaggio, ottenuto mediante una lastra sottile perfettamente conduttrice, con riferimento a pareti sottoposte a flusso termico uniforme. Nel lavoro [16], viene studiato numericamente lo strato limite laminare lungo una parete piana verticale isoterma tenendo conto dell'effetto della dissipazione viscosa e del lavoro di pressione. Nel lavoro [18], viene esaminata la convezione mista in un condotto verticale sottile, riempito da un mezzo poroso, per cui vale la legge di Darcy. Una parete del condotto e' mantenuta isoterma mentre l'altra e' sottoposta ad un flusso termico localizzato. Oggetto del lavoro [21] e' la convezione mista completamente sviluppata in un condotto anulare verticale riempito da un mezzo poroso. Il campo di velocita', il campo di temperatura e gli sforzi alle pareti vengono determinati analiticamente, con riferimento ad un modello non darciano e a condizioni al contorno termiche in cui entrambe le pareti sono isoterme oppure una delle due e' sottoposta ad un flusso termico uniforme. Nei lavori [22, 23], gli autori considerano la convezione mista in un canale piano-parallelo con pareti isoterme a differenti temperature. Viene abbandonata l'approssimazione di Boussinesq e le proprieta' del fluido vengono fatte variare secondo il modello di gas ideale.
B) Nella letteratura, particolare attenzione e' rivolta al caso di canali e condotti orizzontali. Nel caso di geometrie cartesiane, lo studio dei moti di convezione mista, determinati dal deflusso laminare di un fluido tra due piani paralleli tra i quali e' imposto un gradiente di temperatura, e' di fondamentale importanza in problemi relativi al raffreddamento di componenti elettronici e in applicazioni industriali riguardanti la produzione di film sottili tramite tecniche CVD. Quando il moto del fluido nel canale non e' imposto, per valori del gradiente termico superiori ad un valore critico i moti convettivi sono determinati dall'instaurarsi di instabilita' di tipo Rayleigh-Benard. Nel caso teorico di assenza di pareti verticali, le strutture convettive che si determinano tra le due superfici sono orientate indifferentemente secondo un asse o l'altro della geometria. La presenza di pareti solide verticali, cosi' come di un deflusso imposto all'interno del canale, influenzano la natura dei moti secondari. Diversi lavori scientifici riguardanti i deflussi di tipo Poiseuille-Rayleigh-Benard in canali orizzontali a sezione rettangolare, in cui un profilo di velocita' di tipo Poiseuille e' imposto in prossimita' della sezione d'ingresso [25], hanno messo in evidenza come l'imposizione di un moto assiale consenta di spostare l'instaurarsi dell'instabilita' generante strutture fluide ad asse trasversale verso valori del numero di Rayleigh piu' elevati rispetto a quelli determinanti la destabilizzazione verso strutture fluide ad asse longitudinale [26]. Per valori del numero di Reynolds maggiori di un valore critico, la prima instabilita' da' luogo a strutture del campo di moto a celle convettive longitudinali. La destabilizzazione di queste strutture e' poi dovuta a perturbazioni che innescano, a valori piu' elevati del numero di Rayleigh, rulli stazionari trasversali, rulli sinuosi oscillatori o strutture caotiche [27].
In geometria cilindrica, l'analisi della trasmissione del calore per convezione mista in condotti anulari orizzontali, consente di approfondire le attuali conoscenze riguardo il controllo e l'ottimizzazione di numerosi sistemi di scambio termico. Si pensi, ad esempio, all'isolamento di cabine di aeromobili, al controllo termico di reattori nucleari, al raffreddamento di componenti elettronici a geometria cilindrica o ai sistemi di evacuazione del calore prodotto da linee interrate di distribuzione elettrica. Lo studio della geometria cilindrica consente l'analisi dell'effetto della curvatura sull'instaurarsi delle instabilita' termoconvettive sia nella parte superiore che nella parte laterale dell'anello. Nel caso particolare di deflusso assiale nullo e per bassi valori del numero di Rayleigh, il campo di moto del fluido e' essenzialmente bidimensionale: in ogni sezione trasversale del condotto esso si compone di due celle convettive, simmetriche rispetto al piano verticale contenente l'asse dei cilindri [28]. Per fissati valori del rapporto tra i raggi del condotto anulare, al crescere del numero di Rayleigh si instaurano campi di moto piu' complessi [29-31].
C) Con riferimento allo studio della convezione mista in cavita' parzialmente aperte, includendo anche i casi di lastre piane sia parallele che non-parallele, si possono citare i lavori [32-35]. Obiettivo dello studio di tali geometrie e' migliorare la comprensione fenomenologica della convezione mista, anche per trovare strette analogie sui regimi di moto in convezione mista in canali orizzontali e cavita' parzialmente aperte e la convezione naturale in canali sub-orizzontali, lievemente inclinati rispetto al piano orizzontale, e cavita' parzialmente aperte comunque inclinate. Va sottolineato che gli studi sulla convezione mista e naturale entro una cavita' aperta, comunque orientata rispetto alla verticale, con una piastra parallela alla superficie aperta della cavita', sono poco numerosi [33, 34], laddove la letteratura relativa a cavita' aperte, senza pareti parallele alla superficie aperta, e' piu' cospicua [32, 35]. Nello studio della convezione in queste geometrie, e' di fondamentale importanza conoscere l'influenza sul moto di parametri geometrici quali le dimensioni della cavita', la distanza della piastra dalla superficie aperta della cavita' e la dimensione della piastra solida.
In letteratura, infine, sono presenti numerosi lavori che studiano il trasporto di calore dovuto a superfici in movimento in canali o in cavita', sia dal punto di vista numerico che da quello sperimentale. I primi lavori [36-38] riguardano lo scambio termico tra una superficie isoterma in movimento e l'ambiente circostante, inizialmente in quiete. La maggior parte di essi fa riferimento al regime di moto stazionario e a geometrie bidimensionali, nelle quali si trascura la conduzione nel solido, e l'attenzione e' concentrata sul moto indotto dalla superficie in movimento. In [36], viene indagato sperimentalmente lo sviluppo dello strato limite in presenza di superfici in movimento. I profili di velocita', sia per flusso laminare che turbolento, sono in ottimo accordo con le predizioni teoriche. In [37], viene analizzato lo sviluppo dello strato limite per un nastro piano continuo in movimento e sono ottenuti risultati in ottimo accordo con quelli riportati in [38].
Altrettanto importante e' l'analisi in regime transitorio, in quanto fondamentale, ad esempio, per la determinazione del tempo necessario al trattamento termico di un materiale. In [39], viene studiato numericamente il trasporto di calore indotto da una piastra riscaldata in continuo movimento in un mezzo in quiete. In particolare, sono analizzati dettagliatamente gli effetti transitori dello scambio termico tra la piastra e il fluido.
Quando lo scambio termico che si realizza tra piastra e fluido e' tale da non garantire un raffreddamento adeguato del materiale, e' necessario ricorrere ad un flusso forzato aggiuntivo. In [40], viene analizzata l'influenza sul raffreddamento del materiale di un flusso forzato aggiuntivo, diretto parallelamente alla direzione del moto della piastra. Questa configurazione e' di grande interesse nei processi di raffreddamento delle fibre di vetro, dove un flusso forzato di gas inerte e' soffiato sul materiale in una regione confinata, e nel raffreddamento con acqua dei cavi industriali. In [41], vengono studiati gli effetti delle forze di galleggiamento sull'energia termica trasferita da una superficie omogenea, orizzontale o inclinata, alimentata a flusso termico costante, che si muove con velocita' non uniforme in un fluido. Viene mostrato che, per elevati valori del parametro di galleggiamento, la velocita' del fluido in prossimita' della superficie e' maggiore di quella assunta su di essa. In [42], viene indagato il moto del fluido in corrispondenza di una superficie permeabile verticale, in movimento, nei casi di forze di galleggiamento sia concordi sia opposte al moto principale. Viene rilevato che le forze di galleggiamento non influiscono sui coefficienti di scambio. In [43], sono analizzati gli effetti del numero di Prandtl e delle forze di galleggiamento sui coefficienti di attrito e sui coefficienti di scambio termico in presenza di una lastra estrusa, in movimento verticale, in un ambiente fluido.
L'analisi relativa ad una piastra piana rientra, spesso, in casi piu' complessi riguardanti i fenomeni di scambio termico all'interno di canali e cavita' delimitate da pareti piane. In [44], e' analizzato numericamente il flusso laminare bi- e tridimensionale in una cavita' compresa tra due piastre. La piastra inferiore e' ferma e riscaldata mentre quella superiore e' raffreddata e puo' essere in moto o ferma. I risultati mostrano che, per valori finiti delle dimensioni della cavita', il moto della piastra superiore distrugge tutte le celle convettive dovute al riscaldamento della piastra inferiore. In [45], viene studiata numericamente la convezione mista in una cavita' rettangolare, delimitata da due pareti orizzontali fisse e due verticali mobili. La parete superiore e' adiabatica, quella inferiore, invece, presenta un flusso termico imposto nella zona centrale. Tale geometria rappresenta un sistema di pratico interesse nel controllo termico di un dispositivo elettronico, simulato dal flusso termico imposto nella zona centrale del fondo della cavita'.
Gli studi sperimentali [46-48] sullo scambio termico in presenza di materiali in continuo movimento sono poco numerosi, dato che essi richiedono accurate apparecchiature in grado di simulare il movimento del materiale e di tutte le modalita' di scambio termico coinvolte. In ogni caso, gli studi sperimentali sono fondamentali per validare le predizioni numeriche e per evidenziare aspetti non completamente compresi. <<<