RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Tecniche innovative per l'intensificazione della convezione forzata

Università di riferimento

Politecnico di MILANO - ENERGETICA - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Alfonso Giuseppe Vincenzo Niro

Descrizione

DESCRIZIONE DEL PROGETTO
Nell'ambito del presente programma si intende studiare, per via sperimentale e numerica, le caratteristiche fluidodinamiche e di scambio termico di flussi d’aria in convezione forzata in canali con superfici sia ondulate sia piane con nervature.
I canali hanno sezione rettangolare con le superfici inferiore e superiore sia ondulate sia piane con nervature a sezione quadrata variamente disposte rispetto alla direzione del flusso. I canali operano con condizioni al contorno del tipo a temperatura imposta sulle superfici strutturate e circa adiabatiche sulle altre due, e hanno una lunghezza tale da permettere il raggiungimento di condizioni termofluidodinamiche sviluppate. La portata d’aria attraverso il canale può essere variata in modo tale da avere numeri di Reynolds compresi tra 500 e 20000.
L'analisi sperimentale consisterà nella determinazione delle caratteristiche medie di scambio termico, tramite misure convenzionali di temperatura e di flussi termici, relativamente a tutte le geometrie indagate e nella determinazione di quelle locali relativamente però alle sole geometrie bidimensionali, cioè con ondulazioni e nervature ortogonali alla direzione del flusso, dal momento che tali caratteristiche vengono rilevate tramite interferometria olografica e/o fotografia speckle (entrambe queste tecniche, infatti, permettono la misura del campo, rispettivamente, di temperatura e del gradiente di temperatura, in direzione ortogonale alla superficie interessata dalla convezione ma mediato sulla larghezza del canale stesso, e pertanto da queste misure è possibile ricavare il coefficiente convettivo locale solo per flussi d’aria bidimensionali).
Poiché evidentemente è molto importante conoscere l’influenza delle nervature anche, se non soprattutto, per le geometrie tridimensionali, le caratteristiche di scambio termico locali di queste superfici saranno ugualmente analizzate, ma in condizioni termo-fluidodinamiche in parte diverse, tramite termografia infrarossa. Le tecniche termografiche, in particolare quella infrarossa, permettono infatti di ricostruire con buona precisione e risoluzione l’intero campo di temperatura su di una superficie, qualunque sia la sua geometria; quindi, se è nota la distribuzione di flusso termico, è possibile determinare il coefficiente di scambio termico in ogni suo punto. Per consentire il rilievo del campo di temperatura sulla superficie strutturata, il canale però dovrà essere fornito di una finestra trasparente all’infrarosso sulla faccia opposta a quella in esame, oppure la superficie strutturata dovrà operare in convenzione esterna; inoltre, la superficie in esame dovrà essere riscaldata elettricamente in modo da conoscere la distribuzione del flusso termico fornito (tra superficie e riscaldatore vi sarà, tuttavia, uno strato sufficientemente spesso da contenere in pochi Kelvin le differenze di temperatura sulla superficie stessa). Questi interventi evidentemente modificano in parte le condizioni di prova, ma le informazioni che si raccoglieranno saranno comunque molto utili per comprendere la termo-fluidodinamica e per guidare l’ottimizzazione della geometria. All’interno del programma sperimentale, infine, si pensa di perfezionare anche le tecniche di filtraggio digitale necessarie all’elaborazione delle misure termografiche, soprattutto per potere determinare la diffusione termica nella parete tra superficie strutturata e riscaldatore (avendo scelto una parete spessa, la componente diffusiva altera in modo non trascurabile la distribuzione del flusso termico).

Parallelamente all’analisi sperimentale si svilupperà quella numerica. Nell’ambito di questo gruppo di ricerca, tali analisi vengono condotte mediante l’uso di codici commerciali CFD. Nell’arco dell’ultimo decennio, infatti, la fluidodinamica computazionale, è stata via via sempre più utilizzata grazie al notevole miglioramento raggiunto nell’accuratezza numerica e nella disponibilità di modelli. Tuttavia è ancora richiesto un grande sforzo di ricerca, anche di base, in particolar modo quando si tratti di turbolenza. I modelli di turbolenza originariamente implementati nei codici commerciali, come i modelli della famiglia k-epsilon, sono stati ampiamente utilizzati per via della loro stabilità e perché computazionalmente non onerosi, ma è ben noto che essi non possono predire alcune tipologie di flussi particolarmente complessi, a causa dell’ipotesi di Bussinesque. Tale ipotesi, infatti, definisce una relazione lineare tra il tensore degli sforzi di Reynolds e la parte deviatorica del tensore delle velocità di deformazione, e assume una componente normale dello stesso proporzionale alla sola energia cinetica turbolenta. Pertanto l’implementazione di modelli di turbolenza di ordine superiore non lineari, detti anche NLEVM (Non Linear Eddy Visocity Model), o indagini approfondite con un approccio di tipo LES sono essenziali per estendere le applicazioni della CFD a geometrie complesse, come quelle dei canali corrugati dove le dimensioni caratteristiche interferiscono con quelle delle strutture geometriche e influenzano notevolmente il campo di moto. Nel gruppo di ricerca, queste linee di indagine sono state aperte e quindi verranno integrate nel presente progetto.
Utilizzando modelli EARSM (Explicit Algebraic Reynolds Stress Model), si è verificato che l’approccio non lineare per la viscosità turbolenta (e.g., Pope in [19], Craft et al. [20], Baglietto [21]) risulta più adeguato nella modellazione dei flussi complessi, perché con l’aggiunta dei termini del secondo ordine aumenta la sensibilità del tensore degli sforzi al campo di moto medio. Dal 2004, i ricercatori del gruppo stanno lavorando all’implementazione di differenti formulazioni di modelli a due equazioni; in particolare, sono state implementate differenti varianti di modelli del secondo ordine basati su k-epsilon; derivato da Shih, Zhu e Lumley in [22]. Tali modelli sono in grado di rispettare la realizzabilità e sono dotati di formulazione Low Reynolds, con l’introduzione di opportune funzioni di smorzamento per il comportamento a parete. Attraverso l’impiego di un approccio LES (Large Eddy Simulations) si evita l’approssimazione RANS e ci si posiziona, in termini di accuratezza e di tempi di calcolo, tra le RANS e la DNS. La simulazione LES filtra le scale della turbolenza e opera un taglio su queste. Poiché viene risolto circa l’80% dello spettro di energia cinetica coinvolta nel flusso, l’approccio LES richiede una simulazione tridimensionale e una discretizzazione spaziale e temporale molto fine, tutte caratteristiche che la rendono molto onerosa dal punto di vista computazionale. L’analisi termo-fluidodinamica dei flussi all’interno dei canali investigati sperimentalmente verrà condotta mediante l’uso di modelli non lineari, mentre l’approccio LES verrà anche indagato ma come una delle possibilità per giungere al miglior compromesso tra accuratezza della predizione sulla tipologia di caso in studio e tempi di calcolo.


ARTICOLAZIONE DEL PROGRAMMA
Il presente programma di ricerca ha durata biennale e si articola in due fasi della durata di un anno ciascuna. Nel seguito si riportano per le due fasi, gli obiettivi, le principali azioni e i criteri di verifica.

PRIMO ANNO.
Obiettivi: caratterizzazione delle prestazioni termiche medie dei canali ondulati/corrugati, analisi delle caratteristiche locali delle geometrie bidimensionali, messa a punto di un modello numerico non lineare del secondo ordine.
Principali azioni. Realizzazione delle sezioni di prova (canali con superfici inferiore e superiore ondulate, canali con superfici piane con nervature a sezione quadrata variamente disposte rispetto al flusso); messa a punto dell'apparato sperimentale e della strumentazione convenzionale; effettuazione delle prove sperimentali per la determinazione delle caratteristiche medie di scambio termico di tutte le tipologie di superfici corrugate in esame mediante misure convenzionali (temperatura, potenza, flussi termici, cadute di pressione); misura dei campi di temperatura e/o di gradiente di temperatura relativamente ai canali con superfici corrugate bidimensionali; analisi dei risultati e confronto con le misure convenzionali. Relativamente all’analisi numerica, verrà implementato un modello NLEVM del secondo ordine della termo-fluidodinamica turbolenta all’interno dei canali bidimensionale, che verrà validato su casi di letteratura noti (anche la realizzabilità, nelle differenti versioni possibili e reperibili in letteratura, sarà formulata e validata).
Criteri di verifica: redazione di rapporti e comunicazioni a congressi dei risultati ottenuti.

SECONDO ANNO.
Obiettivi: analisi sperimentale delle caratteristiche di scambio termico locali delle geometrie tridimensionali; completamento del modello numerico e applicazione ai casi tridimensionali; messa a punto di correlazioni di scambio termico.
Principali azioni. Messa a punto della tecnica di filtraggio delle termografie; effettuazione delle prove sperimentali per la determinazione delle caratteristiche di scambio termico locali su geometrie tridimensionali in convenzione esterna e/o interna. Completamento del modello numerico con l’implementazione dell’approccio low Reynolds e di una versione al terzo ordine dell’approssimazione di Bussinesque; tali nuove implementazioni verranno validati su casi di letteratura e poi applicati ai casi tridimensionali in esame. Per quanto riguarda la LES non si prevede di implementare modelli nuovi ma solo di effettuare studi comparativi per comprendere i limiti di applicabilità, le opportunità di impiego e i possibili sviluppi futuri. Analisi complessiva dei risultati sperimentali e numerici ottenuti e messa a punto di correlazioni di scambio termico.
Criteri di verifica: redazione di rapporti e comunicazioni a congressi dei risultati ottenuti.


COLLABORAZIONI CON LE ALTRE UR.
L’intero programma sarà svolto in cooperazione con tutte le altre UR e presenta, in particolare, sinergie con le attività di ricerca delle unità di Parma, Udine e Ancona. L’UR di Parma infatti studia lo scambio termico su alette estese prevalentemente per via sperimentale attraverso termografia infrarossa, analogamente a quanto intende fare questa UR relativamente alle geometrie tridimensionali; di conseguenza le attività di ricerca di queste due unità saranno condotte in modo fortemente coordinato, confrontando e integrando i risultati sperimentali man mano che vengono ottenuti. Con l’UR di Udine invece si ha in comune l’analisi numerica dello scambio termico in canali con superfici corrugate, svolta però con strategie e metodi completamente indipendenti e, pertanto, questa parte di programma sarà condotta in modo strettamente coordinato perché si ha grande interesse nel confrontare i risultati numerici ottenuti. La cooperazione con l’UR di Ancona sarà invece principalmente di tipo metodologico sull’uso delle tecniche ottiche nelle misure di scambio termico, viste le approfondite conoscenze di questa UR nel campo e la lunga tradizione di collaborazione. All’UR di Bologna si cercherà di fornire dati sperimentali sulle caratteristiche di scambio termico, oltre che in regime stazionario, anche in transitorio; questi dati risulterebbero particolarmente utili alle modellazioni svolte da questa UR perché darebbero informazioni sperimentali anche a livello locale; d’altra parte non si nasconde che l’analisi sperimentale in regime variabile risulta molto più complessa di quella in stazionario. L’UR di Bologna invece fornirà all’UR di Milano, alla fine del primo anno di attività, utili indicazioni su come potrebbe essere cambiata la superficie ondulata per il secondo canale di prova. Infine, si avranno sinergie anche nella valutazione complessiva delle prestazioni termiche di scambiatori di calore compatti.


CONCLUSIONI
In conclusione, lo scopo ultimo del presente programma è la messa a punto di superfici alettate di grande efficienza in grado di incrementare considerevolmente lo scambio lato aria innanzitutto di scambiatori compatti del tipo a superfici alettate – il che aiuterebbe certamente l’industria italiana a restare competitiva in questo mercato – e, in secondo luogo, di sistemi ad alata tecnologia, come il raffreddamento delle palette di turbina, o di larghissimo uso come i dissipatori per componenti elettronici. I prodotti principali della ricerca saranno principalmente una ampia base di dati, correlazioni e programmi utilizzabili per il dimensionamento di queste superfici ad alta efficienza. Ulteriori prodotti saranno il perfezionamento di tecniche innovative sia sperimentali che numeriche (misura termografica delle caratteristiche locali di scambio termico, implementazione nei codici CFD di modelli non lineari di turbolenza), nonché la formazione-addestramento di personale ad alto livello (assegnisti).