RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Studio e ottimizzazione di sistemi termici a controllo termogravitazionale

Università di riferimento

Università degli Studi di CATANIA - INGEGNERIA INDUSTRIALE E MECCANICA - CATANIA(CT)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Alberto Alfio Natale FICHERA

Descrizione

Il programma dell'Unità di Ricerca dell'Università di Catania mira all'approfondimento dei risultati conseguiti nel corso degli anni precedenti nell'ambito dello studio teorico e sperimentale della convezione naturale in circuiti e cavità. Il raggiungimento di tale obiettivo sarà perseguito in collaborazione con le Unità di Ricerca di Genova e Modena-Reggio Emilia e si profila nella prosecuzione parallela dei due percorsi di ricerca in cui recentemente si è differenziato lo studio sulla convezione naturale condotto dall'U.R. di Catania.
Il primo percorso riguarda i circuiti a circolazione naturale, e vede la consolidata collaborazione tra le U.R. di Catania e Genova nell'ambito dei PRIN precedenti. Nel corso di tale collaborazione sono stati curati e sviluppati aspetti sia teorici sia sperimentali. In ambito teorico sono stati definiti modelli nonlineari (analitici, numerici e di identificazione), atti a descrivere la natura complessa dei fenomeni dinamici; alcuni di questi modelli hanno costituito la base di strategie per il controllo della dinamica del sistema. Sul piano sperimentale, sono stati realizzati e testati diversi circuiti rettangolari caratterizzati da diversi valori del fattore di forma e del diametro interno del condotto costituente il circuito nonché da differenti condizioni al contorno (temperatura o flusso imposto alle sezioni di scambio termico, condizioni al contorno di tipo pulsato, variazione della componente gravitazionale, ecc.). Sono state inoltre realizzati e testati i sistemi di controllo definiti su base teorica.
Sulla base delle precedenti considerazioni è possibile evincere il buon livello di approfondimento raggiunto nello studio dei circuiti a circolazione naturale. Ciò che risulta ancora carente è lo studio, sia teorico sia sperimentale, delle prestazioni dei circuiti a circolazione naturale nel caso di dimensioni geometriche molto ridotte (intendendo, con questo, diametri dei tubi dell'ordine di alcuni millimetri), per applicazioni nella sempre più ampia classe di apparecchiature sia biomedicali sia elettroniche, per le quali l'elevata affidabilità nello smaltimento del calore offerta dai mini-circuiti costituisca un requisito particolarmente rilevante.
A tali scale, la sostituzione di sistemi di smaltimento di calore operanti in convezione forzata con i più affidabili sistemi basati sulla convezione naturale lascia presumere, per questi ultimi, un campo operativo in condizioni limite di funzionamento. In tali condizioni aumenta infatti il pericolo di blocco che può derivare dall'insorgenza locale di fenomeni di ebollizione sottoraffreddata, generalmente trascurabili alle normali scale. In particolare, nel caso di circuiti in scala ridotta, caratterizzati da condotti di piccolo diametro, le bolle potrebbero bloccare la circolazione del fluido, anche per un limitato intervallo di tempo. Un simile evento potrebbe portare rapidamente ad ebollizione una rilevante frazione del fluido all'interno della sezione da raffreddare, con conseguente repentino innalzamento della pressione e potenziale collasso strutturale del sistema.
L'attività di ricerca che si intende sviluppare nel corso del PRIN 2005 si inserisce nel contesto appena descritto poiché riguarda la progettazione, realizzazione e caratterizzazione sperimentale di circuiti a circolazione naturale di piccola scala e dell'apparato sensoristico necessario per il monitoraggio.
In particolare, l'U.R. di Catania collaborerà sin dall'inizio con L'U.R. di Genova alla progettazione di mini-circuiti sperimentali, anche mediante l'ausilio del modello analitico messo a punto dalla U.R. di Catania. L'attività delle due Unità di Ricerca si differenzierà sulla risoluzione delle due problematiche necessarie al conseguimento dell'obiettivo comune di realizzare, testare ed ottimizzare il comportamento sperimentale di circuiti di piccola scala. In tale ottica, l'U.R. di Genova procederà alla realizzazione dei circuiti veri e propri, curando la miniaturizzazione dei principali componenti di tali circuiti (sezione di riscaldamento, sezione di raffreddamento, vaso d'espansione, etc.), mentre l'U.R. di Catania si occuperà della progettazione e realizzazione della strumentazione di misura necessaria al monitoraggio delle variabili che governano la circolazione naturale all'interno dei mini-circuiti. In particolare, oltre alla misura della temperatura, per la quale esistono numerose tecniche utilizzabili in canali di piccole dimensioni, sarà indispensabile proporre soluzioni appositamente studiate per il rilevamento di fenomeni di insorgenza di bolle in condotti di piccolo diametro. A tal fine verranno messi a punto dei sensori in grado di misurare la frazione di vuoto, proporzionale alla dimensione delle bolle, nonché la velocità delle bolle. Si verificherà inoltre la possibilità di rilevare sperimentalmente l'intervallo di tempo di esistenza della bolla (delimitato dagli istanti di nucleazione della bolla e di suo collasso nella massa di liquido sottoraffreddato che la circonda).
In altri termini, l'apparato sensoristico messo a punto dall'U.R. di Catania equipaggerà i mini-circuiti realizzati dall'U.R. di Genova. Apposite campagne sperimentali verranno condotte sul sistema così equipaggiato, al fine di osservare e registrare sperimentalmente non solo i tradizionali comportamenti legati alla circolazione del fluido all'interno del circuito (quali, soprattutto, le inversioni caotiche della direzione del moto) ma anche l'insorgenza di comportamenti locali di natura bifase. Si potrà così ottenere una completa caratterizzazione dei principali fenomeni potenzialmente pericolosi per i circuiti a circolazione naturale di piccole dimensioni.
Una volta che si sia creato un data-base sufficiente di misure sperimentali rilevate su circuiti di piccola scala, e sempre nell'ambito della collaborazione con l'U.R. di Genova, si procederà alla validazione del modello analitico definito nel corso dei PRIN precedenti anche nel caso dei mini-circuiti. In tale contesto, l'U.R. di Catania effettuerà anche il confronto tra le simulazioni monodimensionali del campo di moto del modello analitico e le misure sperimentali ottenute dalle U.R. di Genova e Modena-Reggio Emilia mediante misuratore eco-doppler pulsato.
Parallelamente, si collaborerà con l'U.R. di Modena-Reggio Emilia anche nell'ambito dell'analisi di casi test, riguardanti il trasporto convettivo in cavità. In particolare, l'U.R. di Catania si occuperà dell'analisi mediante tecniche nonlineari delle serie temporali messe a disposizione dall'U.R. di Modena-Reggio Emilia, al fine di individuare i valori del numero di Rayleigh in corrispondenza dei quali si verificano le biforcazioni della dinamica dei processi convettivi, che partendo dalle dinamiche monocellulari e passando dai regimi multicellulari portano il sistema a manifestare stati caotici.

Il secondo percorso di ricerca nell'ambito della convezione naturale riguarda lo studio del comportamento termofluidodinamico di cavità chiuse sottoposte a condizioni termiche al contorno di tipo stazionario. In questo ambito l'U.R. di Catania opera ormai da anni in collaborazione con il gruppo di ricerca coordinato dal Prof. Gilles Desrayaud del laboratorio INSSET-LETEM de l'Université de Picardie "Jules Verne", di Saint Quentin, in Francia. La collaborazione ha preso le mosse dallo studio della convezione naturale in condotti rettangolari con ostruzioni, schematizzazione semplificata dei meccanismi di scambio termico per circuiti elettronici. Si è dunque passati allo studio di particolari cavità, delimitate da due parallelepipedi paralleli infiniti rettangolari, con condizioni al contorno atte a generare un gradiente di temperatura verticale all'interno del fluido. La configurazione particolare di tale tipo di cavità è stata scelta per la sua sostanziale analogia con i circuiti a circolazione naturale a geometria rettangolare; infatti, i comportamenti termofluidodinamico osservati nei due sistemi risultano essere sostanzialmente analoghi, ed entrambi riconducibili ai comportamenti dinamici schematizzati dal sistema di Lorenz.
L'attività condotta negli ultimi anni ha avuto per oggetto la definizione e validazione numerica di soluzioni analitiche che consentissero di quantificare lo scambio termico ed i profili di velocità e di temperatura in cavità rettangolari con scambio termico in corrispondenza delle pareti verticali in condizioni di regime pseudoconduttivo. Quest'ultimo regime si osserva quando, all'aumentare del numero di Rayleigh, il regime conduttivo propriamente detto (caratterizzato da velocità nulla e stratificazione orizzontale del profilo di temperatura) si destabilizza in seguito ad una biforcazione, dando vita ad una cella convettiva che occupa l'intera cavità. La peculiarità della configurazione convettiva monocellulare risiede nel sostanziale mantenimento della stratificazione orizzontale del profilo di temperatura, che continua a valere ovunque eccettuate delle ristrette aree agli estremi superiori ed inferiori della cella.
Lo studio di tali cavità si è evoluto nella quantificazione del fenomeno di trasporto di massa che si osserva ai bassi numeri di Rayleigh nel caso in cui la cavità contenga una miscela binaria. Con le condizioni al contorno precedentemente indicate all'interno della cavità è infatti possibile osservare la nascita di una stratificazione verticale del profilo di concentrazione, originata da un fenomeno denominato termogravitazione, consistente nell'accoppiamento di convezione naturale pura e termodiffusione molecolare (effetto Soret). La presenza di stratificazione del profilo di concentrazione indica la possibilità di ottenere la separazione dei componenti della miscela; interessanti sono dunque le applicazioni in sistemi di separazione (dissalatori, processi chimici, ecc.).
Una volta completata la descrizione analitica per il caso di cavità rettangolare, l'attenzione è stata rivolta alle cavità anulari orizzontali con pareti cilindriche a temperature imposte diverse. La maggiore complessità di tale configurazione geometrica comporta la risoluzione di numerosi problemi, particolarmente per quanto attiene la curvatura dei profili delle variabili del sistema rispetto alla direzione radiale.
In tale ambito, si intende estendere al caso delle miscele binarie la soluzione analitica recentemente determinata e validata numericamente per il caso di fluidi puri, ricavando la soluzione analitica per il profilo di concentrazione. Si tenterà inoltre di definire la forma analitica della separazione tra i componenti della miscela binaria, particolarmente per la progettazione di potenziali utilizzi del fenomeno oggetto di studio in applicazioni di separazione in processi industriali. Particolare attenzione verrà rivolta al confronto del fenomeno della separazione nel caso di geometria anulare e di geometria rettangolare, al fine di valutare quale configurazione consenta il raggiungimento di prestazioni ottimali.
Infine, lo studio dei regimi pseudoconduttivi entro cavità rettangolari (con flusso termico imposto alle pareti verticali) e le cavità anulari (con temperature imposte alle pareti) vedrà la collaborazione delle U.R. di Catania e Modena-Reggio Emilia . Nell'ambito di tale collaborazione l'U.R. di Catania validerà sperimentalmente la soluzione analitica mediante i dati sperimentali prodotti dall'U.R. di Modena-Reggio Emilia in una apposita campagna di misure.
Le attività di ricerca relative ai due filoni precedentemente descritti verrà svolta in due fasi, di seguito descritte.

Fase 1 - Durata 12 mesi.
La prima fase delle attività riguardanti gli aspetti teorici e sperimentali relativi alla scalabilità dei circuiti a circolazione naturale verrà dedicata allo sviluppo delle attività di ricerca di seguito schematizzate:
1.1. progettazione di circuiti a circolazione naturale in scala ridotta, in collaborazione con l'U.R. di Genova e mediante l'ausilio del modello analitico messo a punto dalla U.R. di Catania;
1.2. definizione dello stato dell'arte sulle più avanzate tecniche di miniaturizzazione dei principali componenti dei circuiti a circolazione naturale, con particolare riferimento alla sensoristica necessaria per il loro monitoraggio (misure di temperatura, velocità e frazione di vuoto);
1.3. progettazione di sensori (non miniaturizzati) per la misura della frazione di vuoto per circuiti a scala normale;
1.4. progettazione di disposizioni ad array di due o più sensori della frazione di vuoto, al fine di consentire il monitoraggio di fenomeni localizzati, quali l'insorgenza delle bolle, velocità locali delle bolle (mediante tecniche di crosscorrelazione di due o più segnali), monitoraggio dell'intero fenomeno di nucleazione-accrescimento-collasso delle bolle che avvengono tipicamente nel caso di flussi sottoraffredati;
1.5. realizzazione di sensori prototipo (e di array di sensori) ottimizzati nelle fasi 1.3 e 1.4; particolare attenzione sarà rivolta a garantire una elevata capacità di risposta dinamica del sistema di misura;
1.6. caratterizzazione della strumentazione realizzata nel corso della fase 1.5.

Le seguenti attività di ricerca, sviluppate anche in collaborazione con l'U.R. di Modena-Reggio Emilia, saranno invece rivolte all'approfondimento delle problematiche relative allo studio delle cavità:
1.7. adozione di tecniche nonlineari di analisi delle serie temporali per individuazione dei valori teorici e sperimentali del numero di Rayleigh in corrispondenza dei quali avvengono le principali biforcazioni nelle cavità in studio presso l'U.R. di Modena-Reggio Emilia;
1.8. individuazione del modello di equazioni differenziali alle derivate parziali atto a descrivere i bilanci di massa, energia, quantità di moto e concentrazione della miscela per il caso di cavità anulare con miscela binaria;
1.9. semplificazione del modello definito in 1.8, mediante riduzione dell'ordine (da infinito a finito) e disaccoppiamento delle diverse equazioni di bilancio;
1.10. determinazione della soluzione analitica per i campi di temperatura, velocità e concentrazione, nonché del tasso di separazione tra i componenti della miscela.

Fase 2-Durata 12 mesi
Le attività riguardanti i circuiti a circolazione naturale previste per il secondo anno possono essere schematizzate come segue:
2.1. realizzazione di strumentazione di misura progettata ad hoc per i circuiti a circolazione naturale sperimentali realizzati dall'U.R. di Genova; in tale contesto sarà fondamentale l'interscambio di know-how teorico e sperimentale tra le due Unità di Ricerca;
2.2. validazione del modello analitico messo a punto dalla U.R. di Catania mediante i dati sperimentali prodotti dall'U.R. di Genova in apposite campagne sperimentali su circuiti in piccola scala; particolare attenzione verrà rivolta a verificare la possibilità di confrontare tra le simulazioni del modello analitico e le misure sperimentali ottenute dalle U.R. di Genova e Modena-Reggio Emilia mediante laser Doppler pulsato.

In parallelo, verranno sviluppate le seguenti attività riguardanti lo studio della convezione naturale entro cavità:
2.3. validazione, mediante il confronto con i dati messi a disposizione dall'U.R. di Modena-Reggio Emilia, delle soluzioni analitiche definite dall'U.R. di Catania per il caso di fluidi puri entro: a) cavità rettangolari con pareti verticali a flusso termico imposto, b) cavità anulari con temperature imposte alle pareti cilindriche;
2.4. implementazione del modello numerico per lo studio delle miscele binarie in cavità anulari;
2.5. validazione della soluzione analitica definita nel corso della fase precedente mediante confronto con le simulazione numeriche ottenute nel corso della fase 2.4; particolare attenzione verrà rivolta all'analisi numerica del range di validità delle semplificazioni adottate per definire la soluzione analitica al fine di definire in maniera precisa il campo di applicabilità della soluzione.