RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Studio e ottimizzazione di sistemi termici a controllo termogravitazionale

Università di riferimento

Università degli Studi di MODENA e REGGIO EMILIA - INGEGNERIA MECCANICA E CIVILE - MODENA(MO)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Giovanni Sebastiano BAROZZI

Descrizione

In armonia con le linee del programma del Progetto Nazionale, il programma di ricerca della U.R. dell'Università di Modena e Reggio Emilia si incentra prevalentemente sullo studio di moti di convezione naturale generati da sorgenti termiche disposte in ambienti confinati, con particolare attenzione all'insorgenza di condizioni di stabilità ed ai regimi a dipendenza temporale intrinseca caratteristici di tali sistemi. Tale attività sarà svolta sia per via sperimentale sia per via numerica, in collaborazione con le U.R. di Catania e di L'Aquila.
L'effetto di protrusioni superficiali sui moti convettivi indotti in canali verticali riscaldati sarà pure oggetto di simulazioni numeriche in concomitanza con le relative attività sperimentali programmate dalle U.R. di Genova e di L'Aquila ed in parallelo con le simulazioni numeriche svolte dalla U.R. di Trieste. Su tale caso, in particolare, è programmato un esperimento di definizione della miglior forma geometrica delle protrusioni, svolta tramite l'uso di differenti software di ottimizzazione disponibili alle U.R. di Trieste e Modena-Reggio Emilia.
La ricerca si articola sui due filoni di attività strettamente correlati, il primo a prevalente contenuto teorico, il secondo a carattere sperimentale.

Tema a): Indagini numeriche comparative su sistemi termici a convezione naturale e studi di ottimizzazione degli stessi
L'attività programmata costituisce la prosecuzione e la finalizzazione di precedenti Programmi di Ricerca di Interesse Nazionale e prevede, in particolare un esame sistematico dell'evoluzione dei regimi di moto convettivo al crescere del numero di Rayleigh (Ra) in un sistema termico di riferimento costituito da una sorgente di forma cilindrica disposta orizzontalmente in una cavità bidimensionale isoterma a sezione rettangolare. Su tale caso si intende offrire una casistica completa di simulazioni, prevedendo l'identificazione dei valori critici di Ra corrispondenti alle successive transizioni che si verificano a partire dallo stato stazionario pseudoconduttivo.Lo studio farà inizialmente riferimento ad una configurazione geometrica di base, e si estenderà, in seguito, all'esame dell'influenza delle condizioni termiche al contorno, della posizione della sorgente entro la cavità, dei rapporti dimensionali tra sorgente ed involucro.

Le attività simulative prevedono principalmente l'impiego di una tecnica di simulazione numerica diretta (DNS) sviluppata dalla U.R. per lo studio dei regimi di convezione naturale in ambienti confinati e semiconfinati. La formulazione originaria del programma si basa sulla discretizzazione ai volumi di controllo delle equazioni di conservazione in variabili primitive su griglie cartesiane ortogonali. Le potenzialità del software sono recentemente state estese al trattamento di domini a geometria arbitraria, i cui contorni non sono quindi necessariamente conformi alla griglia cartesiana, pur conservando le caratteristiche di velocità di esecuzione e di accuratezza al secondo ordine necessarie allo studio dei regimi a dipendenza temporale intrinseca oggetto del presente programma di ricerca. Il programma possiede ottime doti di stabilità e robustezza ed è stato recentemente ridefinito nella struttura e riformulato secondo un paradigma ad oggetti.
Nell'ambito delle attività di simulazione si svolgerà anche una rigorosa attività di validazione incrociata di un programma CFD industriale già in uso alla U.R., di cui è tuttavia necessario verificare le effettive potenzialità ai fine del possibile impiego dello stesso per l'esecuzione di alcune simulazioni in regimi transizionali 3D atte a supportare la sperimentazione condotta sul caso in esame dalla stessa U.R. (tema b).
Come dettagliato nel seguito, accanto a tale attività principale si svilupperanno simulazioni numeriche relative a casi analizzati per via analitica, numerica o sperimentale da altre U.R.
Obiettivo generale del progetto di ricerca è peraltro la produzione di correlazioni utili in fase progettuale, e, più in generale di predisporre un approccio metodologico affidabile al progetto termico. In tale contesto assume particolare rilievo il già citato esperimento di ottimizzazione su canali verticali con protrusioni, nell'ambito del quale la U.R. di Modena e Reggio Emilia si è assunta il compito di sviluppare una parte dell'attività di ottimizzazione utilizzando uno specifico prodotto software di cui si è recentemente dotata.

Nel dettaglio, l'attività di simulazione numerica sarà articolata come segue:

A1. Benchmarking ed estensione dei dati sperimentali di cui al tema b) sviluppato dalla stessa U.R., per lo studio di regimi stazionari, di transitorio e di regime transizionale, nel caso di una cavità a sezione rettangolare contenente una sorgente termica cilindrica, con condizioni fissate di temperatura o sul flusso termico, tramite analisi 2D e raffronto con simulazioni 2D e 3D da codici CFD industriali a disposizione dell'U.R. L'analisi delle transizioni che si verificano all'aumentare del numero di Rayleigh e dell'evoluzione del sistema verso lo stato caotico, beneficerà particolarmente della collaborazione con l'U.R. di Catania che ha acquisito notevole esperienza in tale ambito;
A2. Comparazione dei dati numerici 2D con i risultati sperimentali prodotti dall'U.R. di L'Aquila, ottenuti con interferometria olografica e a regimi a basso numero di Rayleigh, sia in condizioni stazionarie sia di transitorio termico, per la configurazione a sorgente termica cilindrica in cavità cilindrica coassiale;
A3. Raffronto e validazione delle previsioni prodotte per via analitica dall'U.R. di Catania, relative al limite di stabilità dei regimi stazionari pseudoconduttivi per due diverse situazioni di trasporto termico: i. cavità verticale a riscaldamento differenziale; ii. cavità anulare;
A4. Confronto con i dati sperimentali forniti dalle U.R. di Genova e L'Aquila, relativi a regimi convettivi stazionari 2D, attraverso canali aperti a pareti corrugate e confronto con analoghe soluzioni numeriche prodotte dalla U.R. di Trieste;
A5. Esperimento comparato di ottimizzazione termica e geometrica per il sistema di cui al punto A4, in collaborazione con le U.R. di Genova e L'Aquila per la validazione sperimentale, e con la U.R. di Trieste per la fase di ottimizzazione. In tale attività la U.R. si varrà anche della collaborazione in atto con il Dott. Mark Atherton, Department of Engineering Systems, London South Bank University.

Tema b): Rilievi sperimentali su moti di convezione naturale in cavità confinata
Nel corso del programma di ricerca PRIN 2003 la U.R. ha messo a punto un apparato sperimentale per la misura del campo di velocità generato da un cilindro riscaldante all'interno di una cavità parallelepipeda in materiale plastico contenente acqua.
L'apparato è strumentato con termocoppie miniaturizzate per il rilievo delle temperature di parete e del fluido. Per il rilievo del campo di velocità si è optato per l'impiego della tecnica Ultrasound Pulsed Doppler Velocimetry (UPDV). L'apparato UPDV, già in dotazione alla U.R., consente il rilievo del profili della componente di velocità del fluido allineata con l'asse della sonda ultrasonica. L'esplorazione del campo di moto viene eseguita mediante apposito sistema di brandeggio 3D.

L'attività programmata si propone in primo luogo di identificare potenzialità e limiti della tecnica UPDV nell'ambito dello studio dei moti di convezione naturale secondo lo schema seguente:
B1. analisi di incertezza in considerazione degli errori di misura strumentali, dell'influenza delle condizioni operative e delle imprecisioni geometriche dell'apparato sperimentale;
B2. analisi dei limiti operativi della tecnica velocimetrica UPDV in regime di convezione naturale nei liquidi;
B3. redazione di un protocollo di misura per assicurare la ripetibilità dei rilievi di velocità;
B4. analisi sperimentale dei regimi di convezione naturale all'interno del sistema di prova, con riguardo sia alle condizioni di transitorio che ai regimi transizionali, per il confronto con i risultati numerici forniti dall'attività di cui al punto A1;
B5. Verifica dell'applicabilità della tecnica UPDV per misure di velocità nei circuiti a circolazione naturale sviluppati nell'ambito del progetto della U.R. di Genova.
Nelle attività di sperimentazione la U.R. si avvarrà anche dell'esperienza del Prof Tassos G. Karayiannis, Department of Engineering System, London South Bank University.

Funzioni della U.R.:
Nell'ambito del programma generale, il ruolo della U.R. consiste nel:
a) rendere disponibili a tutte le U.R. indicazioni sperimentalmente validate relative alle prestazioni delle tecniche CFD, industriali ed autoprodotte, nell'ambito della predizione dei moti di convezione naturale transizionale in ambienti confinanti contenenti sorgenti termiche;
b) fornire alla U.R. di Catania nuovi dati numerici e sperimentali relativi a regimi temporalmente variabili di convezione naturale volti a produrre, in collaborazione con essa, mappe di stabilità sufficientemente complete per alcune tipologie di sistemi termici confinati, con l'obiettivo ultimo di individuare criteri sufficientemente generali per la stima dei valori critici del parametro di controllo almeno per alcuni sistemi di riferimento (cavità parallepipeda con sorgente cilindrica, cavità anulare);
c) fornire alle U.R. di Catania, Genova e L'Aquila risultati di simulazioni numeriche, ottenuti tramite software industriale o autoprodotto, atti alla interpretazione dei dati sperimentali e delle previsioni teoriche da queste prodotte;
d) fornire correlazioni estensive dei risultati sperimentali utili alla progettazione di sistemi di scambio termico funzionanti in convezione naturale ed assimilabili alle geometrie semplificate prese in esame;
e) partecipare ad un esercizio congiunto con le U.R. di Genova, L'Aquila e Trieste volto a verificare l'efficacia dell'accoppiamento delle procedure sistematiche di ottimizzazione a software CFD, nell'ambito del dimensionamento dei sistemi a convezione naturale;
f) mettere a punto e rendere fruibile, in particolare alla U.R. di Genova, la metodologia velocimetrica ad effetto Doppler ultrasonico, per la misura non intrusiva della velocità locale in circuiti a circolazione naturale.

Suddivisione in fasi:
Fase 1) Durata: mesi 12.
Descrizione:
• Avviamento dell'attività di cui al punto A1
• sviluppo e completamento delle attività di cui ai punti A2, A3;
• inizio delle azioni di testing di software commerciale di ottimizzazione accoppiato al codice di simulazione numerica autoprodotto (A5);
• svolgimento delle attività di cui ai punti B1,B2;
• esecuzione di prove sperimentali presso la U.R. di Genova (B5).

Risultati attesi:
• Validazioni numeriche e caratterizzazione dei regimi di moto per i casi di cavità parallelepipeda con sorgente cilindrica (A1), cavità cilindrica con sorgente cilindrica e cavità a pareti verticali riscaldate (A2,A3);
• Acquisizione di esperienza sull'utilizzo delle tecniche di ottimizzazione in fase di test (A5);
• Analisi completa di incertezza (B1) e dei limiti di applicabilità (B2) della tecnica di misura UPDV;
• Indicazioni sull'applicabilità della tecnica UPDV alla circolazione in canali a convezione naturale (B5).

Fase 2) Durata: mesi 12.
Descrizione:
• completamento delle attività di cui ai punti A1, A4, A5;
• completamento dell'attività di cui ai punto B3 e B4;
Risultati attesi
• Produzione di dati sperimentali (B4) e numerici (A1) sulla convezione naturale in cavità parallelepipeda con sorgente cilindrica, produzione di criteri per la stima dei valori critici del numero di Rayleigh per alcuni sistemi confinati elementari;
• Validazione numerica e caratterizzazione dei regimi di moto per il caso di canale verticale con protrusioni (A4), verifica della efficacia e funzionalità dell'accoppiamento tra ottimizzatore e codice DNS e confronto con gli analoghi risultati prodotti della U.R. di Trieste con tecniche alternative (A5).