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Nuovo tipo di turbolenza nei fluidi polimerici

Gli additivi polimerici cambiano radicalmente la dinamica dei flussi relativa ai fluidi. Grazie all’utilizzo di simulazioni, gli scienziati finanziati dall’UE e i loro collaboratori hanno scoperto che l’interazione tra inerzia ed elasticità dei flussi polimerici può portare a un nuovo stato di turbolenza.
Nuovo tipo di turbolenza nei fluidi polimerici
Gli additivi polimerici possono ridurre drasticamente la resistenza ai flussi turbolenti. Per esempio, nei grandi oleodotti ciò contribuisce al raggiungimento di una maggiore fluidità e, quindi, di una portata maggiore. Tuttavia, vi è un limite alla possibile riduzione della resistenza, detto massimo asintoto di riduzione della resistenza. L’effetto opposto si osserva nei microcanali, dove la viscoelasticità introdotta dai polimeri crea instabilità e moto caotico in flussi che altrimenti sarebbero piatti e regolari.

Il progetto VISCELTURBFLOW (Computational study of macro- and microscopic turbulence controlled by polymer additives), finanziato dall’UE, è stato avviato per scoprire dove hanno origine l’insorgenza di riduzione della resistenza e il relativo limite massimo. Utilizzando tecniche numeriche, gli scienziati hanno dimostrato che è coinvolto un nuovo tipo di turbolenza.

Il team del progetto VISCELTURBFLOW e i collaboratori hanno dimostrato che il passaggio dall’energia elastica dei polimeri all’energia cinetica turbolenta avviene alle piccole scale di grandezza. Ciò alimenta la turbolenza e impedisce al flusso di diventare pienamente laminare, spiegando potenzialmente il limite massimo di riduzione della resistenza.

Gli scienziati hanno studiato nel dettaglio le interazioni tra instabilità inerziali ed elastiche, a differenti numeri di Reynolds. Il numero di Reynolds indica il contributo relativo delle forze da inerziali a viscose. Le loro simulazioni hanno dimostrato che i polimeri aggiunti causano un ritardo nel passaggio da un flusso regolare e laminare a un flusso turbolento caotico. Tuttavia, se una perturbazione sufficientemente grande viene inizialmente introdotta nel flusso, l’elevata elasticità promuove la transizione e porta ad un flusso caotico auto-sostenuto a numeri di Reynolds subcritici.

Questo nuovo stato ha preso il nome di turbolenza elasto-inerziale (EIT, elasto-inertial turbulence). Il team del progetto VISCELTURBFLOW ha dimostrato che l’EIT esiste anche nelle due dimensioni. Il team suggerisce che l’EIT rappresenta l’estremo stato di massima riduzione della resistenza del flusso, nel limite dell’elasticità molto elevata.

I risultati del progetto VISCELTURBFLOW sono stati presentati presso diverse conferenze. Le proprietà del nuovo tipo di turbolenza sono state descritte in una serie di articoli ad alto impatto, pubblicati su riviste specializzate.

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Keywords

Polimeri, viscoelasticità, turbolenza elasto-inerziale (IET), transizione, VISCELTURBFLOW, numero di Weissenberg, numero di Reynold