FLUIDODINAMICA DELLA TURBOLENZA - INTRODUZIONE ALLA TURBOLENZA

Ingegneria Meccanica e Gestionale

· INTRODUZIONE ALLA TURBOLENZA

· INQUADRAMENTO DEL PROLEMA

INQUADRAMENTO DEL PROLEMA

Il moto dei fluidi è un fenomeno la cui descrizione e l’inquadramento matematico sono particolarmente complessi. La natura offre diversi spunti per osservare il moto di un fluido. Un esperimento facilmente riproducibile è il seguente: si bruci uno stecchino o una striscia di cartone in un ambiente tranquillo; il fumo da essi prodotto salirà sotto forma di una colonna di fluido che, percorso un certo tratto, si sfrangerà originando un moto caotico. Nel primo tratto il flusso è di tipo laminare, nel secondo tratto è di tipo turbolento. In realtà esiste anche una zona di estensione più o meno limitata in cui il flusso sarà di transizione, ossia né turbolento completamente sviluppato, né puramente laminare. Questo esperimento evidenzierà le differenze fra i due tipi di moto in maniera esaustiva.

Lo studio della turbolenza è la branca fra le più complesse della fluidodinamica, oggetto tuttora di studi, ricerche e dibattiti nel mondo accademico a livello mondiale. Un flusso turbolento è caratterizzato dalla sua instabilità intrinseca, per cui attrito, perdite di pressione, rumorosità saranno più grandi rispetto al caso di un flusso laminare, da cui la necessità di approfondire le conoscenze in merito per migliorare i progetti di aerei, autovetture, navi e ponti.

I meccanismi di transizione e sviluppo della turbolenza non sono al giorno d’oggi del tutto chiari. I metodi di calcolo classicamente adottati per lo studio del moto dei fluidi, quali moti potenziali e metodo dei pannelli, non risultano essere validi nel momento in cui si approcci lo studio della turbolenza. L’unico modo per predire il comportamento di un flusso turbolento è quello di eseguire esperimenti o di lanciare simulazioni numeriche. Le tecniche sperimentali sono estremamente costose in termini di attrezzature e tempo richiesto, per cui vengono impiegate nei casi di effettiva necessità, legata, quest’ultima, sempre al costo dell’opera. L’analisi numerica presuppone la formulazione matematica di un problema, e richiede anch’essa personale adeguato e risorse computazionali notevoli. Dal punto di vista matematico, si è ben lontani dall’avere un modello universalmente valido (ed accettato). I modelli attualmente in uso sono spesso dipendenti dal tipo di problema in esame e sono sensibili al grid adottato nella soluzione numerica, per cui si hanno problemi di scelta di un adeguato modello di turbolenza, di convergenza degli schemi numerici, di tempi di calcolo decisamente lunghi. Tuttavia, la modellazione di flussi 3D con tecniche di simulazione della turbolenza è quotidianamente usata nei reparti di progettazione dell’industria aerospaziale, ed è entrata nel settore automobilistico, dapprima per i problemi di aerodinamica esterna, poi per problemi di flussi nei condotti dei motori.

L’analisi CFD dei problemi di turbolenza risulta essere sicuramente più economica della sperimentazione. Per alcuni problemi, come ad esempio il moto dei fluidi nei condotti di aspirazione dei motori, è l’unico mezzo per trarre informazioni quantitative sul flusso; per altri, il vantaggio economico rispetto alla sperimentazione sta crescendo sempre più.

La ricerca, allo stato attuale, è orientata verso una miglior comprensione dei fenomeni relativi alla turbolenza, un inquadramento matematico più preciso ed una più rapida convergenza dei solutori.