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Omogeneizzazione computazionale delle interfacce e dei materiali morbidi porosi

Tradizionalmente, i calcoli relativi a materiali porosi morbidi e interfacce vengono eseguiti utilizzando semplici modelli fenomenologici. I ricercatori finanziati dall’UE hanno proposto una modellizzazione di tali mezzi tramite omogeneizzazione, dove le proprietà macroscopiche sono derivate da quelle microscopiche.
Omogeneizzazione computazionale delle interfacce e dei materiali morbidi porosi
L’omogeneizzazione è il processo che caratterizza un sistema con pochi parametri, pur mantenendo le sue caratteristiche di base. La controparte computazionale di questo processo è stata al centro del progetto MULTISCALEFSI (Multiscale fluid-solid interaction in heterogeneous materials and interfaces), finanziato dall’UE.

L’obiettivo era quello di studiare la possibilità di applicare l’omogeneizzazione al fine di stimare le proprietà di interazione fluido-solido su macroscala, come anche su microscala di grandezza. I ricercatori si sono concentrati sulle interfacce di lubrificazione con microeterogeneità casuali e periodiche, indicate rispettivamente come scabrezza e tessitura.

I materiali porosi non omogenei con pori pieni di fluido sono onnipresenti in natura. Le ossa umane rientrano in questa categoria. Il fluido osseo serve come trasportatore di elementi nutrizionali allo scaffold osseo poroso. La rapida crescita della potenza di calcolo e gli sviluppi nella ricostruzione delle microstrutture indicano che presto sarà possibile ottenere modelli dettagliati.

Tuttavia, l’omogeneizzazione offre un’alternativa economica a livello di calcolo. Il team del progetto MULTISCALEFSI ha dimostrato che le dinamiche all’interfaccia possono essere proiettate con precisione alla soluzione su macroscala. In maniera importante, sono stati evitati i costi di calcolo connessi a una diretta soluzione numerica del problema delle microeterogeneità.

Oltre ad affrontare le fluttuazioni spaziali relative alle proprietà microscopiche, i ricercatori sono riusciti a catturare le variazioni temporali attraverso una appropriata determinazione della media. Inoltre, le deformazioni di interfaccia possono essere riprodotte efficacemente attraverso la risposta anisotropica dell’interfaccia stessa.

Negli ultimi anni, sono stati compiuti notevoli progressi in ambito di microlavorazione. L’approccio del progetto MULTISCALEFSI per accogliere fasi sia fluide che solide sotto le stesse leggi costitutive, e ai fini di una modellizzazione precisa della loro interazione, contribuirà alla progettazione di superfici con prestazioni macroscopiche e microscopiche desiderate.

Quando viene combinata con il metodo degli elementi di contorno, è possibile valutare la risposta macroscopica dell’interfaccia liquido-solido in relazione a una vasta gamma di dimensioni dei pori. In questi studi, è possibile utilizzare la classica equazione di Reynolds relativa alla lubrificazione idrodinamica per descrivere modificazioni finite delle configurazioni.

Una generalizzazione dell’equazione è stata proposta per garantire una risposta adatta sia a livello matematico che fisico, in relazione alle interfacce morbide. Il progetto MULTISCALEFSI ha portato a una più profonda comprensione della risposta macroscopica delle superfici strutturate, con importanti implicazioni inerenti agli sforzi in corso per ridurre l’attrito e l’usura.

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Keywords

Omogeneizzazione computazionale, materiali porosi, MULTISCALEFSI, interazione fluido-solido, lubrificazione