Dal flusso laminare alla turbolenza
Nei fluidi riscaldati in modo volumetrico, il riscaldamento può provenire da reazioni chimiche o biochimiche, da una transizione di fase o dal decadimento radioattivo. Il riscaldamento volumetrico è responsabile della convezione nelle nubi e degli effetti sui modelli meteorologici. Esso è anche responsabile del trasporto dell’umidità nelle serre e dei suoi effetti sul clima e sulla crescita delle piante. In campo industriale, esso è coinvolto in un gran numero di processi nei reattori nucleari, inclusa la rimozione del calore di decadimento e la convezione dei nuclei fusi del reattore. Molti modelli di fluidodinamica computazionale (CFD) si concentrano sullo stato turbolento del tutto formato. Il progetto T2T-VHF (Transition to turbulence of volumetrically heated flows), finanziato dall’UE, ha cercato di sviluppare dei modelli matematici per cogliere la transizione dal flusso laminare uniforme al flusso caotico della turbolenza. In particolare, gli scienziati hanno studiato il comportamento pre-caotico della biforcazione di soluzioni di equilibrio fortemente non lineari per flussi di scorrimento riscaldati in modo volumetrico (VHSF) non comprimibili in un canale lungo. I modelli consentiranno una progettazione per il controllo di quella transizione e, una volta unificati con i modelli del flusso turbolento, forniranno un’immagine olistica del flusso del fluido durante tutta la sua evoluzione. La transizione verso la turbolenza dei VHSF è stata modellata usando sia l’analisi della stabilità spettrale che la CFD (metodi dei volumi finiti). La prima identifica in modo semplice e veloce gli stati stabili e instabili del flusso, ma richiede un’attenta rappresentazione delle geometrie prese in considerazione che può essere alquanto complicata. L’obbiettivo era quello di creare una cassetta degli attrezzi che facilitasse le correzioni al codice per gli elementi finiti in modo che esso possa modellare gli stati del flusso in geometrie più complesse attualmente non possibili con il metodo spettrale. Gli scienziati si sono concentrati sullo spazio di stato complesso trovato usando l’analisi della stabilità spettrale per condizioni di gradiente di pressione contante. Questo ha consentito loro di comprendere con chiarezza lo spazio di stato nella transizione da conduzione laminare a convezione laminare a flusso instabile ondulato coerente. I risultati del modello erano ampiamente in accordo con i dati sperimentali presenti in letteratura. Il lavoro è stato presentato in diverse conferenze e incontri oltre che in riviste scientifiche a revisione paritaria. Ci si aspetta che i modelli avanzati che descrivono la transizione da flusso laminare a turbolento degli VHSF in un canale lungo facciano progredire le prestazioni possibili delle descrizioni esistenti. Essi potrebbero trovare applicazione in numerosi campi, dai modelli meteorologici all’energia nucleare.
