Flusso turbolento: analisi e simulazione con la CFD

I flussi possono essere classificati in vari modi, uno dei più importanti è utilizzando il livello di turbolenza presente.

Diversi livelli di turbolenza possono rappresentare variazioni significative nei valori delle grandezze che vengono solitamente valutate nelle apparecchiature industriali (perdita di carico, scambio di calore, diffusione, ecc.).

• Flusso laminare: è un flusso in cui le particelle si muovono in strati paralleli, o fogli, senza invadere il percorso di altre particelle. Nella figura seguente è rappresentato dall'immagine (a).
• Flusso transiente: è un flusso in cui si verificano fluttuazioni intermittenti del fluido in un flusso laminare, anche se non sufficienti a caratterizzare un flusso turbolento. Nella figura seguente è rappresentato dall'immagine (b). 
• Flusso turbolento: è un flusso in cui ci sono fluttuazioni continue nel flusso e le particelle invadono il percorso delle particelle adiacenti, mescolandosi e muovendosi in modo casuale. Rappresentato dall'immagine (c) nella figura seguente.
  
  

Visualizzazione della traiettoria di un tracciante all'interno di un tubo in diversi regimi di flusso: (a) laminare, (b) transiente, (c) turbolento (Fonte: Ansys, Inc.).

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Per identificare il regime di flusso, si utilizza il numero di Reynolds, un numero adimensionale che mette in relazione le forze inerziali con le forze viscose, come segue:

Dove ρ è la massa specifica, V è la velocità, L è una dimensione caratteristica e μ è la viscosità dinamica.

Quando le forze inerziali (numeratore) sono molto maggiori delle forze viscose (denominatore), il flusso diventa turbolento (alto numero di Reynolds).

Caratteristiche della turbolenza

• Molteplicità di scale: la turbolenza è caratterizzata dalla presenza di diverse scale, dalle più grandi - che sono proporzionali alla geometria - alle più piccole - che sono inversamente proporzionali al numero di Reynolds. L'energia cinetica viene trasferita dalle scale più grandi a quelle più piccole.
• È un fenomeno continuo: le scale più piccole sono più grandi del cammino libero medio tra le molecole.
• È un fenomeno irregolare: non può essere calcolato con equazioni deterministiche.
• Diffusione: la turbolenza provoca un aumento della diffusione del fluido, ossia un aumento del tasso di miscelazione.
• Dissipazione: la turbolenza è altamente dissipativa. Se la fonte di energia viene rimossa, la turbolenza cessa rapidamente di esistere.
• Tridimensionalità: le fluttuazioni turbolente sono tridimensionali.
• Transiente: la turbolenza è un fenomeno che varia nel tempo.
  
  

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Analisi del flusso turbolento

Il flusso turbolento è uno dei fenomeni più critici della fisica moderna e, sebbene esistano teorie e modelli che spiegano gran parte di questi fenomeni, non esiste ancora un'unica teoria che fornisca la prevedibilità di una serie di situazioni che coinvolgono il flusso turbolento.

Analizzare questo fenomeno anche con esperimenti fisici è una grande sfida, poiché per studiarlo è necessario includere dei sensori. L'inclusione di sensori o altri strumenti di osservazione del flusso può causare interferenze con il comportamento del fluido.

Lo studio del comportamento di questi fenomeni è importante per prevedere le situazioni che possono interferire con l'efficienza, le condizioni operative e il funzionamento delle apparecchiature industriali.

Gli strumenti di modellazione computazionale sono grandi alleati quando l'obiettivo è analizzare e prevedere il comportamento dei flussi di fluidi. Con essi è possibile ricreare diversi scenari in un ambiente virtuale ed eseguire diversi test e persino prevedere il comportamento di questi flussi. A questo proposito, gli strumenti CFD di Ansys sono ottimi alleati.

Ansys Fluent consente di analizzare e risolvere problemi legati alla turbolenza grazie a funzionalità di modellazione fisica ad alta precisione.

Turbolenza in CFD

Nell'analisi CFD (Computational Fluid Dynamics) esistono modelli matematici che cercano di rappresentare la presenza di turbolenza nel flusso.

È necessario selezionare il modello di turbolenza in modo appropriato per garantire una soluzione corretta del flusso. Questa selezione è responsabilità dell'utente degli strumenti CFD, che deve conoscere le caratteristiche del flusso da valutare.

Esistono tre strategie numeriche per la modellazione della turbolenza:

• RANS (dall'inglese Reynolds Averaged Navier-Stokes): viene risolta la media delle variabili nel tempo. È la strategia più utilizzata nella fluidodinamica computazionale. I modelli k-epsilon, k-omega e Spalart-Allmaras fanno parte di questa strategia.
• LES (dall'inglese Large Eddy Simulation): risolve la turbolenza in funzione delle dimensioni delle scale turbolenti. Vengono calcolate le grandi scale e modellate le scale più piccole. La maglia deve essere molto raffinata e richiede uno sforzo computazionale maggiore rispetto alla strategia RANS. Di solito viene utilizzato in casi transienti.
• DNS (dall'inglese, Direct Numerical Simulation): la maglia viene generata in modo da garantire che tutte le scale turbolenti possano essere calcolate direttamente, senza bisogno di modellazione. Questa strategia porta a maglie con un numero molto elevato di elementi, che non è pratico per i casi reali.

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Flusso turbolento: è un flusso in cui ci sono fluttuazioni continue nel flusso e le particelle invadono il percorso delle particelle adiacenti, mescolandosi e muovendosi in modo casuale. Rappresentato dall'immagine (c) nella figura seguente.I regimi di flusso, definiti in base al livello di turbolenza, sono i seguenti: