Indagine sperimentale del flusso bifase acqua-aria in regime intermittente entro condotti orizzontali

La tesi consiste in un'indagine sperimentale del flusso acqua-aria in condotti orizzontali sia a diametro costante sia con brusco restringimento di sezione, in regime di moto intermittente (moto a tappi e moto a fiotti). La ricerca ha riguardato in modo particolare gli aspetti locali ed istantanei del flusso, con il duplice scopo di interpretare i valori delle cadute di pressione concentrate misurate nel condotto con brusco restringimento, e di caratterizzare in maniera quantitativa, attraverso grandezze opportune, la fenomenologia delle transizioni di regime. La ricerca è stata condotta nell’ambito di un programma di collaborazione con l’Università degli Studi di Genova. Il piano di lavoro si articola nei seguenti punti:
· Messa a punto di una tecnica per visualizzare la struttura del flusso bifase, attraverso la distribuzione della frazione di vuoto su diverse sezioni del condotto. Questa tecnica è stata applicata con successo alla descrizione del flusso entro il condotto con brusco restringimento, mettendo in luce la drastica riduzione dell’area di passaggio del gas in corrispondenza della contrazione, fenomeno che nella letteratura è stato sempre trascurato.
· Formulazione di un modello in grado di descrivere il meccanismo dell’urto dei fiotti contro una singolarità geometrica (in questo caso un brusco restringimento), da cui è stato possibile ricavare l’energia cinetica dissipata dal flusso. Tenendo conto di questo contributo nel calcolo delle cadute di pressione concentrate, si riesce ad ottenere un andamento del tutto simile a quello dei valori sperimentali, cioè un andamento non monotono caratterizzato da un massimo ed un minimo relativi.
· Misura della velocità di transito dell’interfaccia gas-liquido lungo il diametro verticale mediante la tecnica della correlazione incrociata dei segnali di due sonde ottiche allineate (condotto a sezione costante con diametro di 0,08 m), per portate di liquido comprese fra 3 e 10 kg/s titoli in volume variabili fra 0,1 e 0,8. Si sono evidenziate quattro diverse morfologie dei profili verticali di velocità al variare del numero di Froude della miscela, corrispondenti ad altrettante strutture del flusso. Attraverso il confronto con i valori della frazione di vuoto, si sono individuati quei valori che corrispondono alla velocità dei fiotti. Oltre un valore critico del numero di Froude, l’andamento di tale velocità sembra essere influenzato esplicitamente dal diametro del condotto, anziché esserne indipendente come in genere si assume.
· Definizione e verifica di un criterio quantitativo per individuare la frontiera fra il moto a tappi ed il moto a fiotti, basato sull’analisi del segnale delle sonde ottiche (funzione densità di fase); gli esperimenti sono stati svolti nelle medesime condizioni impiegate per le misure di velocità. L’analisi è stata eseguita sia nel dominio del tempo, attraverso la funzione densità di probabilità (PDF), sia nel dominio delle frequenze, attraverso la densità spettrale di potenza. Si sono individuati alcuni parametri che presentano una discontinuità in corrispondenza della transizione fra i due regimi di moto; fra questi, il valor medio della frequenza pesato secondo la densità spettrale di energia, è risultato essere il più efficace. La frontiera di transizione ottenuta secondo questo metodo è in accordo con i risultati delle numerose osservazioni qualitative riportate in letteratura; essa corrisponde ad un valore critico di un numero di Froude modificato.