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UNITA' DI RICERCA
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Bibliografia
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Programma di ricerca
Modellazione avanzata e validazione sperimentale di dettaglio della fluidodinamica di reattori gas-liquido agitati per processi chimici e biotecnologiciUniversità di riferimento
Università degli Studi di ROMA "La Sapienza" - INGEGNERIA CHIMICA, DEI MATERIALI, DELLE MATERIE PRIME E METALLURGIA - ROMA(RM)Responsabile dell'Unità di ricerca
Massimiliano GIONADescrizione
Un aspetto caratterizzante l'intero progetto e' la presenza di unita' operative con distinte competenze teorico, simulative e sperimentali (multidsiplinarieta'), cui corrisponde un notevole grado di affiatamento e di cooperazione(maturato negli ultimi 8 anni) nell'affrontare lo studio del mescolamento.
Il programma dell'unita' di Roma riflette questo approccio unitario e mira da una parte a svolgere ricerche autonome (teoria del mescolamento basate su approcci tipici dello studio geometrico dei sistemi dinamici), le cui ricadute possono essere utilizzate dalle altre unita' afferenti al progetto, e di supporto analitico (analisi di serie temporali), che sono il necessario completamento delle ricerche sperimentali condotte dalle altre unita' (Pisa e Bologna tra tutte).
All'interno dell'unita' di Roma sono presenti diverse competenze: accanto alle competenze specifiche relative al mescolamento di fluidi, all'unita' di Roma afferiscono competenze specifiche sulla teoria delle perturbazioni singolari (Prof. M. Valorani, Dip. Ingegneria Meccanica), e su apsetti di fluidodinamica fondamentale (Prof. Luca Cortelezzi, Prof. del Dipartimento di Ingegneria Meccanica della McGill University, e ora in ruolo nel programma ``Rientro dei Cervelli'', come professore associato presso il Dipartimento di Fisica dell'Universita' di Udine).
I compiti dell'unita' di ricerca si possono riassumere nell'elaborazione di metodi numerici, analitici e statistici
per la diagnostica di flussi multifase e per la caratterizzazione del
mescolamento in sistemi gas/liquido.
Conformemente con questo principio ispiratore di multidisciplinarita' e con i compiti dell'unita' di ricerca, il programma di ricerca dell'unita' di Roma si articola su due direttrici:
1) Messa a punto degli strumenti statistici e di analisi di serie temporali per la descrizione e caratterizzazione oggettiva dei fenomeni di macroinstabilita' in sistemi gas/liquido
2) Applicazione di tecniche di teoria geometrica delle perturbazioni singolari a partire dalla dinamica Lagrangiana di bolle, volta a sviluppare un primo tentativo di teoria del mescolamento in sistemi multifase.
Di seguito il programma e i compiti dell'unita' di Roma sono descritti per ciascuno di questi filoni di ricerca.
(1) In un recentissimo lavoro sulle macroinstabilita' in reattori agitati con una girante Rushton ((Cerbelli, Giona, Paglianti, Pintus (2005), frutto della collaborazione tra le tre delle unita' afferenti a questo progetto, Roma, Pisa, Bologna) sono state analizzate in dettaglio le proprieta' fini delle fluttuazioni nel campo di velocita', sviluppando nuovi approcci nella caratterizzazione di serie temporali provenienti da analisi PIV e ottenendo una caratterizzazione quantitativa della struttura intermittente nelle fluttuazioni corrispondenti a condizioni operative associate a regimi di transizione.
Lo scopo di questa parte della ricerca e' estendere l'analisi delle microistabilita' a partire da una caratterizzazione fine delle serie temporali a sistemi bifase (gas/liquido) all'interno di reattori agitati.
In particolare, il programma di ricerca prevede i seguenti punti:
1.1 Identificazione e caratterizzazione statistica delle macroinstabilita' in sistemi bifase da analisi di fluttuazioni del campo di velocita'
1.2 Analisi delle possibilita' di prevedere e caratterizzare le macroinstbilita' con altri mezzi (e.g. fluttuazioni di pressione) e con altre sonde sperimentali in conformita' con quanto messo a punto all'interno del progetto delle unita' di Pisa e Bologna;
1.3 Estensione e sviluppo ulteriore di metodi statistici per il riconoscimento di macroistabilita' basati su approcci marcoviani
(sviluppati recentemente in (Cerbelli, Giona, Paglianti, Pintus 2005))
1.4 Sviluppo di modelli dinamici per interpretare l'intermittenza. Nel lavoro (Cerbelli, Giona, Paglianti, Pintus 2005) e' stato argomentato che i fenomeni di intermittenza nel regime di transizione possano essere dovuti a fenomeni di ``attractor's
merging crisis''. Questo problema verra' analizzato nel presente progetto, con particolare riferimeto ai sistemi bifase.
La ricerca relativa al punto (1) durera' durante tutto
lo svolgimento del progetto, con modalita' di temporizzazione che
saranno concordate con le unita' di Bologna e Pisa in relazione conlo sviluppo delle campagne sperimentali sviluppate da queste due
unita'.
(2) Sviluppo di modelli teorici per caratterizzare il mescolamento in sistemi multifase.
Il punto di partenza di questa linea di investigazione e' la dinamica lagrangiana di bolle in un mezzo liquido in moto.
Come mostrato recentemente da Haller (relativamente allo studio di strutture coerenti e di definizione oggettiva di vortice) metodi basati sul concetto di varieta' invarianti (instabili e lente)
possono essere estremamente potenti per caratterizzare le zone
all'interno di apparecchiature nelle quali si abbia un buon mescolamento in maniera oggettiva e piu' corretta rispetto alla sola analisi della distribuzione spaziale velocita' e dei tensori di deformazione.
Lo scopo finale di questa seconda parte del progetto e' quello di sviluppare criteri geometrici e metodi analitici basati sull'analisi lagrangiana del moto delle bolle che possano essere applicabili a valle delle simulazione di Fluidodinamica Computazionale per caratterizzare il mescolamento in sistemi bifase.
Il progetto di ricerca si articola come segue:
2.1 Analisi iperbolica e mediante teoria delle perturbazioni singolari
della dinamica delle bolle, dato il campo di velocita' del mezzo continuo.
Questa parte della ricerca si articolera' considerando sistemi modello e, nel secondo anno, campi di velocita' ottenuti dalle unita' computazionali (ovvero che effettuano simulazioni CFD di sistemi gas/liquido) afferenti al progetto.
2.2 Estensione della teoria geometrica di Haller (2005) per la caratterizzazione di strutture coerenti in sistemi multifase
In sostanza, questa ricerca e' volta allo studio geometrico delle varieta' instabili associate alla dinamica di bolle in un mezzo
continuo in moto.
2.3 Sviluppo di metodi di geometrici basati sul punto 2.1. per l'estensione dell'approccio a modelli di popolazione per un ensamble di bolle (in cui si tenga conto dei fenomeni di break-up e coalescenza) e sviluppo di modelli ridotti ed equazioni di chiusura.
Quest'ultima parte della ricerca puo' avere notevole impatto sullo studio computazionale dei sistemi gas-liquido, in quanto puo' fornire strumenti di riduzione atti a rendere ragionevolmente simulabili bilanci di popolazione per la dinamica di un ensamble di bolle all'interno di codici di simulazione CFD.
La linea di ricerca 2 verra sviluppata lungo tutta la durata del progetto (biennale).
