La cavitazione nei distributori oleodinamici proporzionali

La presente dissertazione si pone l'obiettivo di quantificare i fenomeni di cavitazione all'interno di un distributore oleodinamico proporzionale e valutarne i suoi effetti sulla portata smaltita, nonché, conseguentemente, sulle forze di flusso agenti sul cassetto.
Lo studio è stato compiuto al calcolatore per mezzo di simulazioni fluidodinamiche tridimensionali con l'ausilio di codici commerciali, in grado di risolvere e riprodurre il flusso all'interno della valvola.
L'idea di dedicarsi a questo tipo di studio nasce prioritariamente da un vuoto di conoscenza della letteratura scientifica relativa a tale argomento e dall'osservazione di alcune anomalie riscontrate nei risultati numerici ottenuti dalle simulazioni fluidodinamiche di distributori proporzionali. In particolar modo si osservava, nel modello fluidodinamico tridimensionale (3D) della valvola oggetto di precedenti attività del gruppo di ricerca del Politecnico di Bari, che l'andamento della pressione statica, all'interno del distributore, presentava delle piccole regioni con valori estremamente bassi tali da risultare, in qualche caso, addirittura negativi. Posta l'impossibilità di una simile soluzione, si è ipotizzato che, in queste zone del flusso, potessero verificarsi fenomeni specifici legati appunto a campi di pressioni locali molto bassi: l'ipotesi più verosimile è il propagarsi di zone di cavitazione che determinano la formazione di bolle di vapore all'interno del fluido a causa dell'abbassamento locale della pressione fino al raggiungimento della tensione di vapore del liquido, il quale subisce un cambiamento di fase, da liquido a gas, formando delle zone cave contenenti vapore in equilibrio con il liquido.
La scelta del distributore da simulare non è impattante sulle conseguenze teoriche che ne conseguono ed è ricaduta su una valvola ATOS modello DKZOR-T, in quanto già in dotazione, assieme alle sue specifiche geometriche, al laboratorio di Oleodinamica e Pneumatica della sezione di "Macchine ed Energetica" del Politecnico di Bari.
La complessità dei calcoli relativi alla simulazione 3D della valvola è stata affrontata con l'utilizzo di un prestante calcolatore, equipaggiato con un quadriprocessore a 4 GHz e 24 Mbyte di Ram, per mezzo del software di fluidodinamica computazionale (CFD) denominato ANSYS FLUENT v.14.
Il processo di simulazione fluidodinamica computazionale necessita di tre fasi principali:
- la fase di pre-processing, durante la quale viene definita la geometria dei condotti che interagiscono con il flusso, le condizioni al contorno e i modelli di calcolo;
- la fase di processing, in cui il calcolatore, tramite il software CFD, effettua il calcolo iterativo;
- la fase di post-processing, nella quale si analizzano i risultati ottenuti.
Nel presente lavoro di tesi sono state affrontate, in primis, le descrizioni del distributore oleodinamico e del fenomeno della cavitazione in maniera generale (capitoli 1-2). Successivamente l'attenzione si è focalizzata sulla modellazione CAD 3D della geometria della valvola, ottenuta col software Solid Edge 19, e sulla seguente creazione della griglia di calcolo in Gambit 2.4.6 (capitolo 3).
Nei capitoli 4 e 5 invece è stata esaminata la teoria computazionale fluidodinamica presente in ANSYS FLUENT alla base dei modelli di cavitazione (modelli multifase) e dei modelli di turbolenza, indicandone i limiti ed evidenziandone le differenze, con approfondimenti per i modelli scelti nelle simulazioni oggetto di questo studio.
Il capitolo 6 rappresenta una sorta di manuale piuttosto dettagliato per la definizione del modello di cavitazione in ANSYS FLUENT 14, con l'aggiunta della definizione delle condizioni al contorno, della definizione del fluido bifase (liquido e vapore) e dell'avvio del calcolo iterativo (fase di pre-processing e di processing).
Nel capitolo 7 vengono riportati i risultati ottenuti (fase di post-processing) al termine delle simulazioni e analizzate le grandezze significative quali pressioni, portate e velocità del flusso, la presenza e l'estensione di zone di cavitazione. Infine, vengono confrontati i risultati, in termini di portate e forze di flusso, ricavati dalle simulazioni implementate con il modello di cavitazione e quelli col semplice modello monofase utilizzato nel recente passato.