RICERCA ITALIANA     

ANALISI TERMOFLUIDODINAMICA DI GETTI E FIAMME CON INTERAZIONE FLUIDO/STRUTTURA E FENOMENI ACUSTICI.

Università degli Studi di Roma "Tor Vergata"

Abstract

La presente ricerca intende studiare alcuni fenomeni di termofluidodinamica di getti (gassosi e non reagenti chimicamente) e di fiamme che possono essere suddivisi nei seguenti tre temi:
- Termofluidodinamica dell’interazione getto/fluido trasversale;
- Termofluidodinamica dell’interazione fluido/struttura;
- Termofluidodinamica delle fiamme/getti con fenomeni acustici associati.

Ciascun tema, a sua volta, può essere suddiviso in argomenti di ricerca che verranno trattati dalle Unità di ricerca indicate secondo lo schema seguente.

Termofluidodinamica dell’interazione getto/fluido trasversale.

TOR VERGATA
Questo argomento prevede lo studio termofluidodinamico, con misure anemometriche e visualizzazioni, di un getto di aria che entra trasversalmente in un flusso dello stesso fluido. Lo scopo è di studiare l’effetto che può avere lo stato termofluidodinamico del getto sulla sua evoluzione termofluidodinamica all’interno del flusso trasversale.

Termofluidodinamica dell’interazione fluido/struttura.

TOR VERGATA
Questo argomento prevede lo studio numerico, con software commerciali, del moto del fluido e dello scambio termico all’interno di superfici protettive usate negli ugelli di efflusso di veicoli spaziali e nelle superfici protettive esterne dei veicoli spaziali impiegate per il rientro nell’atmosfera terrestre.

POTENZA-RUOCCO
Questo argomento prevede lo studio numerico-sperimentale dell’interazione termofluidodinamica tra un getto di forma opportuna ed un materiale protruso di interesse biotecnologico in cui si studiano contemporaneamente i fenomeni di scambio termico e di trasporto di massa.

Termofluidodinamica delle fiamme/getti con fenomeni acustici associati.

TOR VERGATA <br />Questo argomento prevede lo studio di fiamme, diffusive o premiscelate ricche di metano, e si vuole focalizzare su due aspetti. Il primo è la configurazione del flusso di una fiamma che si origina da un tubo che immette un getto di metano in aria stagnante o una miscela di metano e aria in aria stagnante. Il secondo è relativo all'analisi di tipo acustico condotta al variare del numero di Reynolds.

POTENZA-NINO
Questo argomento prevede lo studio di un bruciatore assiale per quanto riguarda le caratteristiche fluidodinamiche quali velocità e turbolenza, in interazione con un getto sintetico pilotato con segnale acustico a differenti frequenze ed ampiezze.

PISA
Questo argomento riguarda lo studio di una tecnica per incrementare il coefficiente di scambio convettivo destabilizzando il campo fluidodinamico con onde acustiche. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Fabio Gori Università degli Studi di ROMA "Tor Vergata"

Obiettivo del Programma di Ricerca

L’obbiettivo della presente ricerca è di studiare alcuni fenomeni di termofluidodinamica dei getti (gassosi e non reagenti chimicamente) e delle fiamme che possono essere suddivisi nei seguenti tre temi:
- Termofluidodinamica dell’interazione getto/fluido trasversale;
- Termofluidodinamica dell’interazione fluido/struttura;
- Termofluidodinamica delle fiamme/getti con fenomeni acustici associati.

L’obbiettivo di ciascun tema, a sua volta, può essere suddiviso in obbiettivo degli argomenti che verranno trattati dalle Unità di ricerca indicate secondo lo schema seguente.

Termofluidodinamica dell’interazione getto/fluido trasversale.

TOR VERGATA
L’obbiettivo di questo argomento è di studiare l’effetto che può avere lo stato termofluidodinamico, inclusa la presenza o meno della regione indisturbata, di un getto di aria sulla sua evoluzione termofluidodinamica all’interno di un flusso di aria in cui entra trasversalmente.

Termofluidodinamica dell’interazione fluido/struttura.

TOR VERGATA
L’obbiettivo di questo argomento riguarda lo studio numerico, con software commerciali, del moto di un fluido all’interno di ugelli di efflusso con protezioni termiche, nelle superfici protettive di veicoli spaziali al rientro nell’atmosfera terrestre, di getti che incidono su superfici protettive e lo scambio termico nella superficie protettiva stessa.

POTENZA-RUOCCO
L’obbiettivo di questo argomento è di studiare le caratteristiche di trasporto di calore e di massa dovute all’impatto di getti gassosi su matrici solide o porose, tipiche di industrie biotecnologiche ed alimentari, in special modo nello studio degli effetti locali, ovvero della distribuzione multidimensionale di temperatura e concentrazione, su superfici di varia forma, anche in presenza di effetti di multifisica, come l’esposizione a campi elettromagnetici.

Termofluidodinamica delle fiamme/getti con fenomeni acustici associati.

TOR VERGATA
L’obbiettivo di questo argomento è di studiare fiamme, diffusive o premiscelate ricche di metano, per determinare la posizione del punto di ancoraggio della fiamma, la lunghezza di fiamma e la struttura del flusso al variare del numero di Reynolds, così come la relazione tra fenomeni acustici e fluidodinamica.

POTENZA-NINO
L’obbiettivo di questo argomento è lo studio sperimentale dei flussi gassosi, sia isotermi che reagenti chimicamente, accoppiati a getti sintetici, agenti come stabilizzatori di fiamma, per la comprensione dei meccanismi che regolano l’interazione tra due getti coassiali. Il primo è ottenuto dal flusso premiscelato di aria e combustibile, in rapporto prossimo al limite di infiammabilità, ed il secondo è ottenuto mediante l’attivazione di un getto sintetico.

PISA
L’obbiettivo di questo argomento è l’incremento del coefficiente di scambio termico convettivo attraverso la destabilizzazione del campo fluidodinamico con la presenza di onde acustiche, al di fuori del campo udibile, anche in funzione della frequenza ed intensità. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La base di partenza scientifica della presente ricerca viene presentata sulla base dei fenomeni di termofluidodinamica di getti (gassosi e non reagenti chimicamente) e di fiamme che possono essere suddivisi nei seguenti tre temi:
- Termofluidodinamica dell’interazione getto/fluido trasversale;
- Termofluidodinamica dell’interazione fluido/struttura;
- Termofluidodinamica delle fiamme/getti con fenomeni acustici associati.

Ciascun tema, a sua volta, può essere suddiviso in argomenti di ricerca che verranno trattati dalle Unità di ricerca indicate secondo lo schema seguente.

Termofluidodinamica dell’interazione getto/fluido trasversale.

TOR VERGATA
Nel raffreddamento con getti di superfici, o per traspirazione o per “film cooling”, si usa il fluido che esce da una superficie per la protezione termica della superficie stessa dalla corrente di gas caldo.
L’interazione fluidodinamica tra un flusso trasversale ed un getto che entra nel fluido con varia angolatura e forma è stata studiata da diversi anni ed un punto importante della letteratura si può trovare in [1] dove sono stati rivisti criticamente i più importanti aspetti del problema. La fluidodinamica del singolo getto nel problema del raffreddamento per traspirazione è stata rivista in [2], dove sono stati esaminati criticamente i risultati della letteratura [3-12]. Le file di getti raffreddanti superfici con tale tecnica sono state studiate in [13-22] mentre le applicazioni relative a pale di turbine sono state esaminate in [22-33].

Termofluidodinamica dell’interazione fluido/struttura.

TOR VERGATA
Nella degradazione delle protezioni termiche i materiali coinvolti producono gas di pirolisi e char. La zona di pirolisi che separa il materiale vergine dal char si propaga nel tempo all’interno del materiale mentre il gas di pirolisi diffonde attraverso il char.
Boully [34] ha usato le equazioni di bilancio di energia, di massa e la cinetica della pirolisi. Torre et al. [35-36] hanno caratterizzato un materiale ablativo composito da utilizzare come protezione termica mentre in [37] si sono utilizzate queste tecniche per ottenere i principali parametri da usare nella simulazione del rientro di un veicolo spaziale e in [38] sono stati usati materiali ceramici compositi. Sono state impiegate gallerie del vento al plasma per qualificare e testare le protezioni termiche utilizzate per l’ultima fase del rientro di veicoli spaziali usati in missioni spaziali quali Huygens [39]. Alcuni ricercatori della NASA [40] hanno sviluppato una serie di equazioni matematiche per studiare diversi tipi di protezioni termiche usate nello Space Shuttle Orbiter e altri veicoli spaziali che includono mattonelle in ceramica a bassa densità, carbon-carbon, isolamenti ceramici flessibili e compositi. L’EADS Space Transportation [41] è impegnata in esplorazioni spaziali, in particolar modo marziane, con la responsabilità di Mars Premier Netlander Thermal Protection Systems e per il Front-Shield del veicolo spaziale vengono utilizzate delle protezioni termiche formate da un composito di materiali a base di resina fenolica. Torre et al. [42] hanno presentato un materiale ablativo composto da un polimero (metil phenil), con microsfere fenoliche, di quarzo e inorganiche. L’ISAS (Institute of Space and Astonautical Science) sta conducendo due missioni (MUSES-C e DASH) in cui sono previsti nel 2007 rientri di piccole capsule direttamente dall’orbita interplanetaria alla velocità di 12 km/s. Lo scudo termico delle capsule viene fatto funzionare non solo come materiale ablativo ma anche come componente strutturale. La parete esterna della protezione termica, carbon-fenolica, resiste maggiormente agli stress ed è sviluppata con un nuovo sistema industriale per evitare la delaminazione dovuta all’alto riscaldamento aerodinamico. Alcune capsule sono progettate per essere ventilate durante il rientro [43]. Borisov [44] ha preso in considerazione lo scambio di calore radiativo in prossimità del naso delle capsule spaziali.

POTENZA-RUOCCO
La tecnica dei getti incidenti consente un ottimo trasferimento di calore e di massa, e può essere utilizzata per innovare molti processi dell’industria biotecnologica ed alimentare, trovando applicazione nel controllo termico e nel condizionamento e processo dei materiali. Nel caso di configurazioni piane, oppure per oggetti di forma arbitraria situati su di un piano, è possibile ottenere un incremento dello scambio di calore e massa nella regione di ristagno a seguito dell'impatto, deviazione e accelerazione del flusso lungo tale superficie. La struttura fluida risultante dall’impatto, anche per le regioni laterali a quella di ristagno, può fornire un importante contributo allo scambio termico anche per interazioni con getti multipli. E' abituale l'impiego di due geometrie di ugello, rettangolare e circolare, dove la scelta è guidata dal fatto che la prima permette una regione di impatto più estesa, e la seconda assicura un effetto più localizzato.
In molte applicazioni industriali, lo scambio termico è spesso accompagnato da scambio di massa, cioè dal trasporto di specie anche in presenza di trasformazioni fisiche (cambio di fase) e/o chimiche. Si vedano al riguardo le rassegne sui getti gassosi in [45,46]. Lo scambio termico mediante getti incidenti su piastre è descritto in letteratura in modo sufficientemente approfondito [47-49], ma i processi industriali che presentano la coesistenza dello scambio termico con le suddette trasformazioni fisiche e chimiche devono ancora essere caratterizzati approfonditamente, come ad esempio in [50], per ciò che riguarda l’evaporazione da un substrato inizialmente saturo. A questo scopo, l’analisi numerica termofluidodinamica può rappresentare un valido ausilio nella progettazione e nella verifica dei processi coniugati di convezione e trasporto di massa, soprattutto mediante confronto con analoghe attività sperimentali.

Termofluidodinamica delle fiamme/getti con fenomeni acustici associati

TOR VERGATA
Esistono numerosi filoni di ricerca in questo settore, come, ad esempio, l’analisi dell’efficienza di un motore [51], la combustione di carbone [52], la stabilità delle fiamme e la configurazione del flusso, [53-56], i fenomeni acustici associati [57-58]. Due punti importanti della letteratura sui fenomeni di base sono [59-60].
In [51] viene condotta un’analisi sperimentale del rendimento di un motore a combustione interna che impiega idrogeno mentre in [52] si fa un’analisi sperimentale della composizione chimica e della granulometria dei residui solidi della combustione del carbone (ceneri). Per quanto riguarda le caratteristiche fluidodinamiche, chimiche e acustiche in [53] si è condotta un’analisi sperimentale della struttura del flusso di una fiamma staccata parzialmente premiscelata di metano e aria nel punto di ancoraggio mentre in [54] si è fatta un’analisi sperimentale di stabilità. In [55] si è studiato numericamente, mediante DNS, una fiamma turbolenta diffusiva di idrogeno in aria e in [56] si è fatta un’indagine empirico-numerica di fiamme staccate parzialmente premiscelate di metano e aria in presenza di condizioni normali di gravità e di microgravità. In [57] si è fatta un’analisi sperimentale della generazione di rumore da parte di una fiamma turbolenta mentre in [58] un’analisi dell’accoppiamento tra combustione e acustica.

POTENZA-NINO
La moderna progettazione di combustori a bassa emissione di inquinanti si caratterizza per l’utilizzo di aria comburente fortemente “swirlata” nei condotti del combustore per massimizzare la miscelazione con il combustibile. Nei combustori premiscelati vari processi fluidodinamici controllano la miscelazione tra aria e combustibile ed i prodotti della combustione. Questi includono vortici a larga scala, che evolvono in strati limite di separazione che si generano a valle delle rapide espansioni dei centri di fiamma e vortici “swirlati”, causati dalla rottura dei vortici generati dagli stabilizzatori di fiamma. L’interazione tra questi due vortici è connessa sia con le instabilità del flusso che con i modi di risonanza acustica ed i processi termici che avvengono in camera di combustione causando indesiderate instabilità di combustione [61]. La stabilità dipende quindi dall’accoppiamento tra combustione e fluidodinamica a causa delle influenze degli elevati gradienti di temperatura e densità. La stabilizzazione della combustione mediante la rottura di vortici è controllata dalla fluidodinamica associata allo specifico fenomeno [62].
Il meccanismo di rottura dei vortici è influenzato dai gradienti di pressione in grado di accoppiare le perturbazioni di pressione, presenti in camera di combustione, e le modalità di rilascio del calore dalla fiamma ancorata al bruciatore alla zona di ricircolo, formata dalla suddetta rottura dei vortici, formando un anello di retroazione in grado di guidare le instabilità di combustione e la produzione di inquinanti [63].La stabilizzazione della fiamma è influenzata dalle pulsazioni di pressione e dalla distribuzione del rapporto aria combustibile [64]. In particolare, per fiamme magre caratterizzate da bassi livelli di produzione di NOx, gli effetti di spengimento aumentano portando ad una inaccettabile instabilità di fiamma.La misura dei parametri di turbolenza forzata (nei reagenti) di una fiamma premiscelata turbolenta, [65], chiarisce quanto avviene in un flusso non forzato in modo da individuare la risposta della fiamma alla turbolenza indotta nei reagenti. Gli esperimenti mostrano una significativa differenza tra il flusso turbolento “freddo” e le velocità misurate in presenza di fiamma.
Un bruciatore consistente in due bruciatori premiscelati concentrici uniti, in modo da fornire una combustione turbolenta stabile in una estesa gamma di livelli di turbolenza e con un controllo indipendente delle due uscite garantita dall’indipendenza della fornitura di combustibile, è stato studiato in [66]. Lo studio dimostra come la combustione stabile viene raggiunta dal bruciatore premiscelato interno all’incrementare del livello di turbolenza.
Durox et al. [67] hanno studiato un combustore conico perturbato acusticamente. Due differenti tipologie di sbocchi sono stati esaminati, il primo realizza uno sbocco acuminato (uscita di un tubo) mentre il secondo uno sbocco tozzo (uscita da una parete). I risultati ottenuti hanno mostrato come al di sopra di una forte ampiezza del disturbo acustico il bruciatore a parete genera celle oscillanti con una frequenza pari alla metà di quella di eccitazione, caratterizzate da una instabilità parametrica secondaria. L’instabilità può essere mantenuta a causa del migliore ancoraggio della fiamma alla parete d’uscita del bruciatore rispetto alla condizione offerta dal bruciatore a parete sottile.
Lieuwen and Zinn [68] hanno studiato teoricamente il ruolo delle oscillazioni del rapporto equivalente di miscela nell’innescare instabilità di combustione in combustori a gas per turbine a bassa emissione di NOx , dimostrando un forte legame tra i due fenomeni. Essmann et al [69] hanno effettuato indagini sulla diagnosi dell’instabilità di combustori di turbine a gas, funzionanti a pieno carico ed alta pressione in un impianto reale, effettuando rilievi di correlazione di fase mediante acquisizione di immagini ad alta frequenza della distribuzione di radicali OH mediante fluorescenza laser bidimensionale. La conclusione dello studio ha portato a ritenere che le pulsazioni assiali rilevate con la tecnica della fluorescenza PLIF in combustione erano in effetti generate dalla rotazione di una struttura fluidodinamica ad elica rotante. La rappresentazione bidimensionale di questa struttura tridimensionale altro non è che un flusso di vortici di Von Karman, i cui vortici periodicamente venivano ad interessare la zona di sviluppo dei radicali OH visualizzati mediante PLIF. Una identica situazione è stata diagnosticata da Ji e Gore [70] che hanno individuato strutture vorticose coerenti in immagini sequenziali PIV ottenute a valle di un bruciatore “swirlato”. Questi vortici sono stati descritti come strutture in grado di presentarsi e scomparire rapidamente in differenti posizioni spaziali.
Simulazioni di transitorio e diagnostica laser in accoppiamento di fase hanno dimostrato che la formazione di campi di moto assialsimmetrici stabili è limitata da ben definite condizioni parametriche di superficie e quindi che il semplice “swirl” non è in grado di stabilizzare fiamme magre premiscelate con un rapporto di equivalenza prossimo al limite di infiammabilità [71, 72]. Rappresentando un sistema periodico, fiamme “swirlate” tendono a sviluppare instabilità periodiche che possono accoppiarsi ai processi risonanti principali con conseguente malfunzionamento del sistema e, nei casi peggiori, portare alla risonanza catastrofica (spegnimento di fiamma).

PISA
Ultimamente si è riscontrato un notevole interesse per quanto concerne l’influenza delle onde acustiche nel campo delle fiamme come prova la letteratura scientifica sull’argomento [73-76]. Questo fatto induce a ipotizzare che le onde acustiche possano giocare un ruolo importante, oltre che in presenza di reazioni chimiche, anche nella fluidodinamica in assenza di reazioni chimiche.
L'incremento del coefficiente di convezione naturale mediante destabilizzazione dello stato limite o di convezione forzata mediante getti di aria destabilizzati con onde acustiche, al di fuori del campo uditivo, non sembra sia stato finora studiato nella letteratura scientifica nazionale od internazionale. <<<