Per adesso vi presento solo l'introduzione, la quale rende almeno un'idea del mio lavoro.

Misurazioni tramite D.P.I.V. di un flusso a valle di un gradino

Relatori:

prof. Michele Onorato - Ordinario di Aerodinamica Sperimentale al Politecnico di Torino

prof. Gaetano Iuso - Ordinario di Fluidodinamica sperimentale al Politecnico di Torino

ing. Pier Giorgio Spazzini - Ricercatore del C.N.R. Centro studi per la dinamica dei Fluidi

La separazione ed il riattacco di un flusso di strato limite turbolento è un importante fenomeno coinvolto in molti aspetti pratici di applicazioni ingegneristiche: ad esempio diffusori, profili con separazione dello strato limite, studio del flusso attorno ad edifici, e combustori. Per predire il comportamento di questi flussi complessi, è fondamentale capire il comportamento dei flussi separati e delle loro condizioni di riattacco.

Tra i flussi bidimensionali, il flusso separato prodotto da un gradino (da ora in poi indicato con BFSF: backward facing step flow) è il più semplice flusso di riattacco. La linea di separazione è rettilinea e fissata dallo spigolo del gradino, e si genera un’unica zona di flusso separato, al contrario di quanto succede per il flusso attorno ad un ostacolo o ad una piastra. Inoltre le linee di corrente, subito a valle del gradino, sono pressoché parallele alla parete, dunque la regione di ricircolo non influenza il flusso a monte, lasciando quasi indisturbato il flusso di strato limite nella regione che precede il gradino. Le principali ragioni per cui molte delle ricerche su fenomeni di riattacco sono state svolte su questa particolare configurazione sono dunque le seguenti:

Ø      Applicazione diretta per lo studio a livello industriale di condotti o canali con repentine variazioni di sezione trasversale.

Ø      E' una ottima modellizzazione per geometrie che presentano gradini e per flussi di interesse ingegneristico che coinvolgono separazioni e riattacchi. Un esempio è dato dagli studi condotti da diversi enti per l'analisi della diffusione di elementi inquinanti nell'atmosfera sovrastante città e complessi industriali.

Ø      L'analisi del flusso attorno ad un gradino fornisce eccellenti opportunità anche nel campo della fluidodinamica computazionale. Infatti la sua geometria semplice ma caratterizzata da un campo di moto molto complesso fornisce un'eccellente test-case per algoritmi C.F.D. (Computational Fluid Dynamics).

Lo sviluppo della presente tesi si inserisce nell’ambito del programma di ricerca del Centro Studi della Dinamica dei Fluidi del C.N.R. di Torino, ospitato nel Dipartimento di Ingegneria Aeronautica e Spaziale del Politecnico di Torino. Le prove sperimentali sono state condotte in uno degli impianti attualmente funzionanti nel centro di velocimetria laser: più precisamente è stata utilizzata la galleria orizzontale ad acqua (nota come “HYDRA”). Si è in quest’ambito progettato e realizzato un componente aggiuntivo da immergere nella camera di prova della galleria. Questo è composto da due lamine piane in plexiglas opportunamente profilate e  parzialmente sovrapposte per permettere di ottenere il gradino.

Il metodo di investigazione scelto è basato su una tecnica di visualizzazione quantitativa di flussi detta Particle Image Velocimetry. Questa ed altre tecniche di visualizzazione qualitative di flussi hanno permesso l'ottenimento sia di risultati quantitativi, sia di analisi qualitative della fenomenologia del flusso. Tutte le tecniche utilizzate prevedono l'inseminazione del flusso con particelle traccianti molto piccole (diametro medio 2mm per analisi quantitative e 12mm per analisi qualitative), aventi una densità prossima a quella del fluido. Queste particelle vengono poi osservate mentre si muovono insieme al fluido in esame. Il più evidente vantaggio di una tecnica del genere è dovuto alla non intrusività del sistema di misura. Ciò è estremamente importante in un flusso non stazionario come questo, in quanto qualsiasi intrusione del sistema di misura porta ad effetti difficilmente prevedibili. Lavori precedenti hanno indicato che in questo caso gli effetti dell'interferenza dovuta alle particelle inseminanti è trascurabile (Castro & Haque, 1987; Gottero, 1997). Comunque questo è un caso molto particolare e per flussi separati in generale, gli effetti di "inquinamento del flusso dovuto alle particelle inseminanti" potrebbero risultare critici. Un altro vantaggio insito nelle tecniche P.I.V. è dato dalla possibilità di effettuare misure a tutto campo in maniera simultanea, ovvero è possibile ottenere misure quantitative su tutta la regione di acquisizione. Si è così superato il problema che si presenta utilizzando tecniche tradizionali, le quali offrono solo misure puntuali. Anche l'applicazione di tecniche P.I.V. presenta comunque dei limiti e delle difficoltà, alcune delle quali difficilmente risolvibili. A prescindere dai costi di un apparato P.I.V. e dalla potenza di calcolo necessaria, gli alti gradienti di velocità che si presentano nello studio di flussi separati rendono difficoltosa l'applicazione della velocimetria laser.

Fino a qualche anno fa lo studio del flusso a valle di un gradino aveva portato ad ottenere pochi dati sperimentali, specie per quanto riguarda la caratterizzazione delle grandezze turbolente. Sono presenti vaste regioni di riflusso, in particolare nella zona di riattacco; metodi basati sull’anemometria a filo caldo non portano a risultati soddisfacenti in zone in cui il flusso è invertito, a causa dell’intrusività dei supporti con i quali si posiziona l'anemometro. Solo con l’affermarsi delle nuove tecniche di anemometria Laser Doppler e Particle Image Velocimetry si è avuto un miglioramento della qualità dei dati sperimentali. L'utilizzo congiunto della P.I.V. e di tecniche di visualizzazione qualitativa dei flussi ha permesso di correlare i processi fisici che si presentano con scale parecchio diverse nel flusso a valle del gradino.