RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

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

Università di riferimento

Università degli Studi di ROMA "Tor Vergata" - INGEGNERIA MECCANICA - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Fabio Gori

Descrizione

Termofluidodinamica dell’interazione getto-fluido trasversale.

La ricerca su questo argomento prevede lo studio fluidodinamico, con misure anemometriche, visualizzazioni shadow e PIV, di un getto di forma opportuna che entra trasversalmente in un flusso dello stesso fluido. Lo scopo è di studiare l’effetto che può avere la presenza o meno della regione indisturbata del getto sulla sua evoluzione fluidodinamica all’interno del flusso trasversale. L’interesse per questo specifico effetto della ricerca risiede nel fatto che nessuna ricerca della letteratura è stata portata avanti finora su questo aspetto perché non era stata identificata la regione indisturbata del getto.
Gli esperimenti saranno portati avanti costruendo un flusso di aria su di un piano in cui entra trasversalmente un getto di aria, di forma opportuna, ad esempio circolare o ellittica. La ricerca si avvarrà dell’esperienza maturata dal gruppo nella modalità di formazione di un getto con regione indisturbata.
La ricerca sarà suddivisa in due fasi che corrispondono a due anni. Nella prima fase verrà costruito l’apparato sperimentale e nella seconda saranno effettuati gli esperimenti.

Termofluidodinamica dell’interazione fluido-struttura.

Durante il rientro in atmosfera i veicoli spaziali sono soggetti a elevati surriscaldamenti. Per proteggerli vengono utilizzati dei materiali ablativi usati anche per proteggere gli ugelli dei motori a propellente solido. La caratteristica dei materiali ablativi è di assorbire una grande quantità di calore subendo un cambio di fase. Un sottoinsieme di ablatori, chiamati “charring ablators”, forma uno strato di polvere a bassa densità (char) che si comporta come un isolante mentre il materiale vergine al di sotto continua a decomporsi e ad espellere gas. Inoltre, in ambienti con alti flussi di calore, il char sublima. In questo modo i “charring ablators” danno livelli di protezione multipli. Molto utilizzati in campo tecnico sono i materiali termoablativi compositi. I materiali in esame sono costituiti da due componenti, una matrice ed una fibra di rinforzo che hanno funzioni differenti: la matrice ha lo scopo di assorbire parte del flusso termico degradandosi (fondendo o vaporizzando) e, come per un composito tradizionale, serve a tenere insieme il secondo componente per dare forma al materiale. La fibra ha la funzione principale di rinforzo strutturale. Generalmente le matrici dei compositi termoablatori sono costituite da resine fenoliche o epossidiche, mentre le fibre sono di vetro, carbonio o silice. Quando un materiale del tipo descritto è sottoposto ad un flusso termico elevato, la temperatura al suo interno cresce secondo i meccanismi classici della trasmissione del calore, finchè non raggiunge il valore critico che innesca la reazione endotermica di degrado. Le protezioni termiche subiscono il fenomeno dell’ablazione e della pirolisi. Il flusso di calore totale (convezione e radiazione) al rientro nell’atmosfera, causato dalla resistenza aerodinamica, viene assorbito dalla protezione termica a spese della capacità termica del materiale, del calore di fusione e di vaporizzazione. La trasmissione del calore nello strato limite intorno alla capsula è un problema molto complesso. I risultati di tali analisi riguardano gli studi sul design e le migliorie da applicare alle protezioni termiche dei veicoli spaziali durante la discesa sulla superficie dei pianeti. La parte teorica di questi studi è connessa alla valutazione quantitativa dei flussi di calore che agiscono sul veicolo spaziale in seguito alla variazione di parametri esterni, principalmente il parametro balistico che dipende dal coefficiente di spinta e dalla superficie aerodinamica del veicolo. Il parametro balistico ovviamente dipende anche dal carico e dalle caratteristiche geometriche del veicolo spaziale [36].
Nello scambio termico e nel trasporto di massa nelle superfici interessate, l’obbiettivo generale è lo studio della interdipendenza tra evoluzione fluidodinamica del getto e scambio termico e trasporto di massa nella superficie interessata. Il modello teorico per la valutazione della conduttività termica di mezzi porosi a più fasi, originariamente proposto in [45] per terreni congelati, è stato esteso a materiali con elevata porosità [46] e a terreni ad alta temperatura [47]. Tale modello è stato poi adattato [48-49] ai materiali compositi utilizzati come materiali protettivi degli ugelli di efflusso e della struttura esterna utilizzata nei veicoli spaziali al rientro nell’atmosfera terrestre. Questo argomento di ricerca riguarda lo studio numerico, con software commerciale, del moto di un fluido all’interno di ugelli di efflusso, all’esterno di superfici solide di veicoli spaziali (per esempio i sistemi protettivi delle superfici dei veicoli al rientro nell’atmosfera terrestre), di getti che incidono su superfici protettive e lo scambio termico nella superficie protettiva stessa. Lo studio dello scambio termico nel materiale composito sarà effettuato calcolando la conduttività termica del materiale durante la sua degradazione termochimica o ablativa col modello teorico proposto dai ricercatori di questa unità.
Questo aspetto della ricerca sarà portato avanti in due fasi o anni. Durante il primo sarà messo a punto il modello teorico per la protezione termica da studiare mentre durante il secondo anno saranno effettuate le simulazioni numeriche con software commerciale della struttura che ospita la protezione termica.

Termofluidodinamica delle fiamme con fenomeni acustici associati.

Il problema della combustione è uno dei problemi maggiormente studiati data l’importanza industriale di questo fenomeno (riscaldamento, produzione di energia, autotrazione). Alcuni aspetti relativi alla configurazione scelta per studiare la combustione di un getto in aria sono determinanti per questo fenomeno.
a) Apertura del getto.
L’apertura del getto a contatto con l’aria ambiente è tanto più rapida quanto più alto è il numero di Reynolds, Re. Il mescolamento è molto spinto a Re alti, e questo facilita la combustione. Affinché però si osservi l’influenza sulla combustione dell’apertura del getto, è necessario che il mescolamento all’esterno dell’iniettore sia importante per quel tipo di fiamma. Ciò avviene se la fiamma è premiscelata ricca (becco Bunsen) o diffusiva (bruciatore di una caldaia a gasolio). Il getto si apre subito se il flusso è molto turbolento, per cui se si vuole osservare la zona indisturbata del getto (nella quale non si ha mescolamento), e l’ancoraggio della fiamma a valle di tale zona (la fiamma sarà quindi staccata), è necessario che Re non sia troppo alto. Se però Re è basso, la fiamma tende ad ancorarsi molto vicino all’imbocco del tubo e nel caso di fiamme premiscelate addirittura dentro, per cui è meglio usare fiamme molto ricche o diffusive. Le fiamme diffusive (come quella che vogliamo studiare) tendono ad ancorarsi tanto più vicino al bordo del tubo (al limite a contatto con esso) quanto minore è la velocità (e di conseguenza il numero di Reynolds). All’aumentare di quest’ultimo, la fiamma si stacca e si allontana sempre più dal tubo, finché non viene soffiata via. Se indichiamo con Xf l’ascissa alla quale si ancora la fiamma, si può dire che Xf è nulla fino ad un certo valore del numero di Reynolds e poi aumenta. La regione indisturbata si riduce sempre più all’aumentare della velocità del getto, e se indichiamo con Xind l’ascissa alla quale cessa tale zona, da esperimenti si vede che tale valore è nullo oltre una certa velocità. Si arriva quindi ad un punto in cui l’ancoraggio della fiamma avviene in corrispondenza con la fine della zona indisturbata. Per visualizzare la zona indisturbata e non averla coperta dalla fiamma, è necessario che la velocità non sia troppo bassa, in modo da avere Xind < Xf.
b) Numero di Reynolds, Re.
All’aumentare di Re, il mescolamento è sempre più rapido, e ciò facilita la combustione. Passando da fiamme laminari a turbolente, la lunghezza di fiamma aumenta fino ad un massimo, per poi rimanere costante con Re. Ciò è dovuto al fatto che il mescolamento più spinto compensa esattamente la riduzione del tempo di residenza. Man mano che Re aumenta, la fiamma tende a staccarsi sempre più e ad ancorarsi ad una certa distanza dal tubo, dove, per effetto dell’aumento della sezione di passaggio del getto nell’aria, la velocità è sufficientemente bassa. Aumentando ancora Re, l’interazione del getto con l’aria ha un effetto controproducente, in quanto le particelle calde che stanno reagendo vengono rapidamente disperse nell’aria (più fredda), con conseguente crollo della temperatura ed arresto prematuro della reazione. Una fiamma ad alto Re è caratterizzata dal distacco nella sua zona terminale di fiammelle che si estinguono rapidamente. Se Re cresce ulteriormente, la combustione non è più in grado di sostenersi e la fiamma si spegne. Tale fenomeno è detto instabilità cellulare.
Riassumendo, si può dire che per osservare una zona indisturbata ed avere l’ancoraggio della fiamma a valle di essa onde evitare il surriscaldamento del tubo, è necessario realizzare un compromesso tra una bassa velocità (apertura del getto ritardata) e un numero di Reynolds non troppo basso (fiamma staccata), ma neanche eccessivo per non avere spegnimento. Per evitare un prematuro ancoraggio della fiamma, è inoltre necessario scegliere un rapporto di equivalenza relativo al getto (se la fiamma è premiscelata) che deve essere tanto maggiore quanto più bassa è la velocità.
c) Influenza della gravità.
Man mano che le particelle si allontanano dal tubo esse rallentano, finché il loro moto non s’inverte ed esse non iniziano a salire. Se Re è alto, l’inversione avviene dopo il cono della fiamma, per cui sono i gas combusti a muoversi verso l’alto. Se invece Re è basso, l’inversione ha luogo dentro alla fiamma: la punta di essa si piega verso l’alto, e tale deformazione ha carattere ciclico, se il diametro del getto è piccolo. Se invece esso è grande la punta della fiamma si apre in una corona che si piega verso l’alto. In ogni caso, una fiamma diretta verso il basso, specialmente se a basso Re e con un piccolo diametro del getto è instabile come una trave sottoposta ad un carico di compressione di punta. Se infine il getto è orizzontale, la fiamma si piega verso l’alto con un raggio di curvatura che è tanto maggiore quanto maggiore è Re. Le forze di galleggiamento che si sviluppano a causa dell’aumento di temperatura tendono a far muovere verso l’alto le particelle calde. Il peso nell’equazione di Navier-Stokes del termine di galleggiamento si riduce rapidamente all’aumentare di Re, per cui l’effetto di galleggiamento è visibile solo a bassa velocità. Il getto fuoriuscente dal tubo può essere diretto verso l’alto, verso il basso o orizzontalmente. Se esso è diretto verso l’alto, i termini convettivo e di galleggiamento si sommano. La fiamma è ancora più allungata di quello che sarebbe in assenza di gravità, e Re è incrementato dalla presenza delle forze di galleggiamento. Se invece il getto è diretto verso il basso, i due termini si sottraggono, e ciò porta ad una riduzione del numero di Reynolds e ad uno schiacciamento della fiamma.
d) Acustica.
Il getto si apre con la formazione di vortici che si formano e si estinguono emettendo delle onde di pressione a frequenze tanto maggiori quanto più alto è Re. Tali onde perturbano il getto e ne influenzano il mescolamento ed in definitiva la combustione. La combustione, a sua volta, è responsabile dell’emissione di onde acustiche a causa del riscaldamento del fluido, e ciò perturba il campo fluidodinamico, influenzando il meccanismo di formazione dei vortici. Esiste quindi un mutuo accoppiamento tra la termochimica e fluidodinamica.
Le fiamme che si desiderano studiare sono fiamme diffusive o premiscelate ricche di metano, le quali presentano la caratteristica di essere più stabili e di non necessitare di fiamme pilota. La nostra attenzione vuole essere focalizzata su due aspetti delle fiamme. Il primo è la configurazione del flusso in una fiamma diffusiva o premiscelata ricca di metano che si origina da un tubo che immette in aria metano o una miscela di metano e aria. Si vogliono determinare in particolare la posizione del punto di ancoraggio della fiamma, la lunghezza di fiamma e la struttura del flusso così come la sua stabilità al variare del numero di Reynolds. L’apparato sperimentale consiste in un tubo munito di supporto verticale che viene collegato tramite un flussimetro ad una bombola di metano o alla rete cittadina. Nel caso si voglia dare un parziale premiscelamento alla fiamma si può praticare su un lato del tubo un’apertura che può essere aperta a piacimento in funzione della ricchezza della miscela desiderata. La combustione viene innescata con un semplice accendino, e si riprende con una telecamera digitale la fiamma per vari numeri di Reynolds. Le immagini riprese a fissati valori del numero di Reynolds saranno poi elaborate in modo da ottenere le informazioni relative. Il tubo col relativo sostegno sono messi in una cappa aspirante, già presente nel laboratorio, che dovrà essere ignifugata internamente con dei pannelli in lana di roccia e il cui tubo di scarico in PVC dovrà essere sostituito con uno in acciaio.
Il secondo esperimento da condurre è relativo all’acustica per i getti (inerti o reagenti). In una moltitudine di applicazioni industriali (condotti di ventilazione, combustori per centrali termoelettriche, motori aeronautici), i getti, interagendo con l'ambiente circostante, provocano la formazione e la distruzione di piccoli vortici, fenomeno che è all'origine dell'emissione sonora [56]. La comprensione della dipendenza funzionale della potenza acustica e del suo contenuto in frequenza con alcuni parametri di esercizio tra cui il numero di Reynolds dà utili indicazioni sulle misure da adottare per modificare (ed in particolare ridurre) il rumore. Come osservato in [57], esiste una forte interazione tra acustica e processo di combustione, per cui è importante verificare sperimentalmente se tale interazione, in particolari regimi di funzionamento, non può provocare eventi indesiderati come risonanze combustione-acustica e cedimenti del combustore e/o spegnimento della fiamma. Si può fare un'analisi di tipo acustico ponendo un microfono nelle vicinanze della fiamma per gli stessi numeri di Reynolds dell’esperimento precedente (i due esperimenti possono anche essere condotti in contemporanea) e registrare mediante la scheda audio di un PC il segnale di pressione, di cui si fa poi l’analisi mediante FFT. Si possono così ricavare delle informazioni quantitative circa l’emissione sonora da parte della fiamma al variare del numero di Reynolds. Si può anche registrare il rumore prodotto agli stessi numeri di Reynolds dal getto freddo di metano (o metano/aria) ed interpretare le differenze con il rumore prodotto dalla fiamma e ricavare una legge semi-empirica che governa la potenza sonora prodotta in funzione del numero di Reynolds.
Riassumendo quanto fin qui visto si può dire che uno studio compiuto sulla combustione di getti di questo genere permette di comprendere meglio il funzionamento di bruciatori industriali (es. caldaie) oppure i meccanismi di propagazione di incendi (condutture del gas rotte, pozzi di petrolio in fiamme).
La ricerca sarà suddivisa in due fasi che corrispondono ai due anni. Nella prima fase verrà costruito l’apparato sperimentale e nella seconda saranno effettuati gli esperimenti.