RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Tecniche innovative per l'intensificazione della convezione forzata

Università di riferimento

Università Politecnica delle MARCHE - ENERGETICA - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Gianni Cesini

Descrizione

Lo scopo della ricerca è quello di incrementare lo scambio termico convettivo in sistemi a fluido operanti in convezione forzata.
La ragione di ciò risiede nella necessità di promuovere la turbolenza, e quindi di innalzare lo scambio termico, solo in quelle porzioni di dominio nelle quali vi sia tale necessità mantenendo per il resto il flusso laminare, con conseguente contenimento delle perdite di quantità di moto e di pressione.
Un campo di applicazione importante per la ricerca è quello del raffreddamento di dispositivi elettronici, dove le sorgenti di calore sono concentrate e di tipo impulsivo e lo spazio disponibile per il sistema di controllo termico è estremamente ridotto.
In tal caso l’adozione di un sistema a circolazione lenta di fluido, che funga da base di supporto per tutto l’apparato elettronico e che sia in grado di operare come sistema di scambio termico localizzato ad alta efficienza, potrebbe assolvere al compito di apparato di controllo termico.
Una tecnica proponibile per assolvere a tale requisito termofluidodinamico è quella in parte trattata nel Progetto di Ricerca di Interesse Nazionale precedente, ossia: destabilizzare lo strato limite laminare mediante una vibrazione meccanica concentrata di una porzione di parete del dominio di confinamento del fluido.
Nel caso di flussi esterni ad un corpo solido tale tecnica ha consentito a questa unità di ricerca di ottenere dei risultati estremamente interessanti, nel caso specifico sono stati adottati degli attuatori piezoelettrici miniaturizzati (MEMS) collegati ad una membrana elastica.
La stessa tecnica è proponibile in sistemi chiusi, previa un’attenta scelta dei materiali e dei sistemi di attuazione meccanica, per i quali è necessario un approfondimento cognitivo maggiore.
L’incremento di turbolenza indotto dall’attuazione meccanica della parete di confinamento del fluido potrà essere utilizzato non soltanto come fenomeno diretto di incremento di scambio termico ma anche come mezzo per incrementare le prestazioni termiche di sistemi alettati eventualmente posti lungo il cammino del fluido; in quest’ultimo caso la ricerca diventa di più ampio respiro estendendosi al settore degli scambiatori di calore.
La ricerca assume così due aspetti diversi: il primo basato sull’approfondimento conoscitivo del fenomeno, e quindi ricerca di base, il secondo dedicato alle applicazioni tecnologiche, e quindi ricerca applicata.
Per quanto riguarda l’aspetto conoscitivo, si richiedono misure di temperatura, velocità e scambio termico [a] che sono impegnative in virtù della complessità di materiali, configurazioni e flussi non isotermi che si stabiliscono nei sistemi elettronici. Ad esempio, accurate misure di temperatura superficiale richiedono lo sviluppo di adeguati modelli di conduzione termica non stazionaria per sistemi bi-strato (termocoppia – solido) con resistenza di contatto [b] per ridurre i cosiddetti ‘errori di installazione.’
Fra le applicazioni tecnologiche, particolarmente interessanti sono quelle che coinvolgono le superfici alettate dotate di alette a spillo (pin fins) ad alta e media densità, che potrebbero avvalersi del fenomeno oggetto della ricerca per migliorare lo scambio termico delle prime file di pins, molte volte le uniche file esistenti quando le dimensioni della sorgente termica sono contenute. Il calcolo della distribuzione di temperatura in tali alette e, quindi, della potenza da esse dissipata richiede la messa a punto di un modello 2D, la cui risoluzione può essere effettuata con approccio sia analitico che numerico [b].
E’ sensibile in tal caso l’aspetto morfologico della superficie dissipante che condiziona in modo prevalente l’interazione con il sistema fluido; è così importante che la ricerca possa abbracciare, almeno in parte, questi aspetti per diventare essa stessa proposta e spunto per lo sviluppo di nuovi sistemi di dissipazione.
L’unità di ricerca dovrà realizzare un circuito idraulico con un canale di prova modulare, in grado di alloggiare il sistema di promozione della turbolenza e le eventuali alettature da testare. Tale apparato verrà progettato e realizzato sulla base dei risultati conoscitivi derivanti dalla ricerca effettuata nell’ambito del PRIN 2005. Una volta realizzato il canale di prova, dovranno essere trasferite le nozioni acquisite per la destabilizzazione dei flussi esterni in questo settore legato ai flussi confinati. Dovranno essere analizzati i componenti elettromeccanici più adatti alla creazione del disturbo da introdurre all’interno dello strato limite per promuovere la condizione turbolenta. Dovranno altresì essere valutate le frequenze e le ampiezze dei disturbi da fornire allo strato limite in relazione alle sue caratteristiche di recettività. Andrà poi realizzato un opportuno dissipatore alettato da introdurre nel canale e da monitorare nelle sue prestazioni di scambio termico mediante un’analisi non intrusiva di tipo termografico.