Flusso turbolento con polimeri aggiunti
Le tecniche più avanzate per la ricerca relativa allo stato di transizione si sono concentrate sulle vie inerenti al regime di turbolenza nei fluidi newtoniani, detti fluidi semplici. Tali sforzi hanno escluso i fluidi non newtoniani e complessi, i quali stanno alla base di processi farmaceutici, di fabbricazione della carta e relativi a petrolio, gas e materie plastiche. Le lunghe molecole di polimero, aggiunte a un fluido, lo rendono elastico e in grado di conservare uno stress che dipende dalla storia della deformazione, donando a questo una memoria. Il progetto NNJETS (Stability of non-Newtonian jets and implications for the onset of turbulence) ha impiegato simulazioni numeriche dirette per studiare i fenomeni di instabilità secondaria in quanto a linee di corrente e transizione verso regime di turbolenza nel flusso di Couette viscoelastico. La viscoelasticità è stata modellizzata mediante l’utilizzo delle equazioni costitutive di FENE-P, e sia la concentrazione del polimero sia il numero di Weissenberg sono stati variati per valutare il loro effetto sulle transizioni con numero di Reynolds moderato: Re = 400. Le linee di corrente di base sono state ottenute dalle simulazioni non lineari del flusso di Couette in risposta a un vortice longitudinale. La crescita di tali linee nei flussi sia newtoniani che non newtoniani è principalmente dovuta alla vorticità longitudinale. Tuttavia, la coppia esercitata dai polimeri lungo la direzione longitudinale si oppone alla vorticità, abbassando la crescita della linea di corrente con numero di Weissenberg elevato. A ogni ampiezza di interesse relativa alla linea di corrente, è stata introdotta una forzatura dell’armonica per innescare l’instabilità secondaria e il regime di turbolenza. Con numero di Weissenberg basso, l’ampiezza critica di questa forzatura è diminuita, mentre con numero di Weissenberg elevato l’ampiezza critica è aumentata. Per ampiezze con bassa linea di corrente, l’ampiezza critica aumenta molto più significativamente rispetto alle ampiezze con grande linea di corrente. Tale comportamento viene spiegato da due meccanismi differenti per l’innesco della transizione al regime di turbolenza, i quali sono attivi sia alle basse ampiezze sia a quelle elevate. Per le ampiezze basse la transizione viene attivata da un meccanismo a due stadi. Le linee di corrente sono inizialmente distorte da perturbazione sinuosa ma, dopo un breve periodo, raggiungono un massimo di energia e tornano a uno stato quasi stabile. Infine raggiungono maggiore ampiezza e mutano verso il regime di turbolenza. La normale vorticità gioca un ruolo fondamentale in questa seconda fase di crescita e nella mutazione. Con numero di Weissenberg elevato, la coppia del polimero lungo la direzione normale si oppone alla vorticità, ostacolando la transizione. Aumentando la concentrazione del polimero è stata dimostrata una chiara diminuzione nell’ampiezza critica della forzatura per ogni ampiezza di linea di corrente analizzata.
Parole chiave
Flusso turbolento, fluido non newtoniano, NNJETS, regime turbolento, flusso di Couette, ampiezza della linea di corrente