RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

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

Università di riferimento

Università degli Studi della BASILICATA - TECNICO ECONOMICO PER LA GESTIONE DEL TERRITORIO AGRICOLO-FORESTALE - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Gianpaolo Ruocco

Descrizione

I processi industriali caratterizzati dalla convezione forzata, basati sui getti impingenti, sono usati frequentemente per le loro eccellenti caratteristiche di scambio termico e di massa, allorquando si desideri il controllo di tale trasporto superficiale in modo localizzato, controllato e rapido. Nonostante tale tecnica sia stata oggetto di molti studi finora, rimane ancora largamente inadeguata la valutazione sulla loro applicazione in caso di accoppiamento e interdipendenza tra scambio termico e di massa, visto che spesso, nei sistemi di interesse biotecnologico, nel substrato soggetto al processo si verifica spesso il trasporto di più fasi contemporaneamente.
Per uno studio completo, le simulazioni numeriche rappresentano uno strumento utile, soprattutto nella presente disponibilità di capacità di calcolo, ma una campagna di misure è necessaria sia per inferire utili confronti che permettano la validazione delle procedure di calcolo, sia per fornire un’analisi adimensionale per consentire un’attività di scale-up alla produzione industriale.
In questo progetto si propone la continuazione dell’attività sperimentale/numerica condotta negli ultimi 3 cicli di finanziamento PRIN, per contribuire alla conoscenza delle caratteristiche di trasporto di calore e di massa dovuti all’impatto di getti gassosi su matrici solide o porose, tipiche di industrie di processo come quelle biotecnologiche ed alimentari. Enfasi viene qui riposta nello studio degli effetti locali, ovvero alla distribuzione multidimensionale di temperatura e concentrazione, su superfici modificate di varia forma (protrusioni), anche in presenza di effetti di multifisica, come l’esposizione a campi elettromagnetici. Dopo lo studio dello scambio termico e la sua dipendenza dalle strutture di flusso [1], l’analisi della interdipendenza delle varie modalità di scambio termico [2], si è passati al confronto tra attività di visualizzazione mediante Particle Image Velocimetry e attività di simulazione numerica in regimi moderatamente turbolenti [3]. Nel presente progetto, l’attenzione è quindi riposta sulla caratterizzazione sperimentale di tali meccanismi combinati, anche su superfici modificate cilindriche o parallelepipediche, e sulla combinazione di meccanismi di riscaldamento superficiale (getti impingenti) e volumetrico (microonde).
Un primo contributo sull’essiccazione di un mezzo poroso saturo mediante getti impingenti è stato presentato da Francis e Wepfer [4] con un’analisi fisica completa, ma limitata alla geometria monodimensionale. Solo recentemente la tecnica dei getti impingenti è stata applicata all’essiccazione dei prodotti alimentari da Moreira e Braud et al. [5,6], ma il loro modello non consente un vero accoppiamento di trasporto termico e di massa, siccome i coefficienti superficiali di scambio sono imposti e non determinati dalla risoluzione congiunta del campo di moto applicato. Un primo contributo sulla modellistica multidimensionale dei meccanismi combinati di scambio termico conduttivo-convettivo e scambio di massa evaporativo su substrati disposti secondo superfici semplici (lastre piane) è stato presentato da DeBonis e Ruocco [7]. Questa modellistica dev’essere analizzata allora con notazioni adimensionali per consentire lo scale-up e l’implementazione in un maggior numero di applicazioni, così come un’adeguata attività sperimentale dev’essere condotta per collegare la distribuzione dell’umidità relativa nel substrato impinto con i parametri di processo quali il numero di Reynolds del getto, la forzante termica adimensionale e la configurazione geometrica. La protrusione cilindrica è invece stata studiata per la prima volta da Olsson et al. [8] per il solo trasporto termico, ma in assenza di conduzione termica nel solido impinto, il ché limita fortemente la determinazione di coefficienti di scambio termico locali sulla superficie del solido.
In questa prospettiva, con l’analisi TCFD multidimensionale e transitoria con pacchetti commerciali che consente via via modellazioni più fedeli alla realtà, è possibile ricorrere a tali risorse ma queste devono spesso essere integrate per tener conto dei meccanismi complessi di scambio di calore e massa accoppiati. Con la sperimentazione proposta, inoltre, sarà possibile ottenere un riscontro delle ipotesi teoriche utilizzate nelle procedure di calcolo.
Nel primo anno dell’attività di ricerca si costruirà una camera di piccole dimensioni (2500 cmc circa), isolata termicamente, mediante pareti in lastre di alluminio foderate esternamente. La camera accoglierà una resistenza elettrica posta sul suo soffitto che riscalderà il volume di prova mediante effetto Joule con una emissione all’infrarosso. Un condotto dotato di griglia per l’uniformità locale del flusso, e ugello convergente standardizzato consentirà l’immissione nel sistema di un getto di aria a profilo di velocità essenzialmente uniforme. L’aria di processo, prelevata da un serbatoio in pressione adiabatico, sarà preventivamente riscaldata mediante l’impianto già in dotazione. La combinazione di riscaldamento in convezione forzata per getto impingente e riscaldamento infrarosso consentirà il trattamento superficiale del prodotto. All’interno dei vari substrati oggetto della ricerca (protrusioni di materiale alimentare come prodotti da forno, o pellicole di vario spessore di materiale tessile o di carta) saranno poste un numero adeguato di termocoppie, sia sulla superficie che a varie profondità all’interno di essi. La camera sarà dotata di un magnetron di potenza adeguata, per l’emissione di onde radio in frequenza da 2,4 GHz circa. In tal modo sarà possibile anche il riscaldamento volumetrico. A questo scopo le termocoppie saranno schermate adeguatamente in PTFE. I risultati attesi da questa attività sono la mappatura dei campi termici e di umidità relativa per una serie di materiali e di condizioni operative di regime fluidodinamico e termico.
Parallelamente a questa attività, e in prosecuzione nel secondo anno del progetto, si metteranno a punto le routine di calcolo nel linguaggio C++ per integrare il software ai volumi finiti FLUENT v.6.2, per tenere conto della fisica del trasporto di massa. In aggiunta a tale software si implementerà anche la modellazione con il software agli elementi finiti COMSOL v.3.2. Per entrambe le modellazioni, le cinetiche di reazione saranno adeguatamente immesse nel modello: si configureranno le pertinenti reazioni chimiche (come imbrunimento enzimatico e non, denaturazione delle vitamine e delle proteine, inattivazione microbiologica) mediante una combinazione di modelli alla Arrhenius del primo ordine e formulazione degli adeguati valori di entalpia ed entropia standard di formazione.
Tutte le simulazioni saranno effettuate sulle 2 workstation esistenti di calcolo ad alta velocità, che hanno 2 processori e 2 Gb RAM ciascuna. Per quanto riguardo l’uso di FLUENT, le applicazioni possono essere eseguite in parallelo sulle 2 workstation, permettendo la simulazione di mesh di calcolo fino a 8 milioni di celle. I risultati attesi da questa attività sono i campi multidimensionali di velocità, temperature, specie chimiche per le configurazioni studiate sperimentalmente, e l’individuazione delle modifiche necessarie alle routine aggiuntive di integrazione al software commerciale.
Entrambe le fasi della ricerca, quella sperimentale e quella numerica, si esploreranno anche mediante la collaborazione con le Unità di Ricerca di Roma Tor Vergata e Pisa.
[1] M. Angioletti, R.M. Di Tommaso, E. Nino & G. Ruocco, Simultaneous visualization of flow field and evaluation of local heat transfer by transitional impinging jets, Int. J. Heat Mass Transfer, vol. 46 (10), pp. 1703-1713 (2003)
[2] F. Sarghini & G. Ruocco, Enhancement and reversal heat transfer by competing modes in jet impingement
Int. J. Heat Mass Transfer, vol. 47 (8-9), pp. 1711-1718 (2004)
[3] M. Angioletti, E. Nino & G. Ruocco, Validation of CFD turbulent models in jet impingement by particle image velocimetry, Int. J. Thermal Sci., vol. 44 (4), pp. 349-356 (2005)
[4] Francis N.D and Wepfer W.J., Jet impingement drying of a moist porous solid, Int. J. Heat Mass Transfer, vol. 39 (9), pp. 1911-1923 (1996).
[5] Moreira R.G., Impingement drying of foods using hot air and superheated steam, J. Food Engng, vol. 49, pp. 291-295 (2001).
[6] Braud L.M., Moreira R.G. and Castell-Perez M.E., Mathematical modeling of impingement drying of corn tortillas, J. Food Engng, vol. 50, pp. 121-128 (2001).
[7] M.V. De Bonis & G. Ruocco, Modelling local heat and mass transfer in food slabs due to air jet impingement, J. Food Engng, In print, 2006
[8] Olsson E.E.M., Ahrné L.M. and Tragardh A.C., Heat transfer from a slot air jet impinging on a circular cylinder, J. Food Engng, vol. 63, pp. 393-401 (2004).