Dispersione di particelle pesanti in turbolenza - Indagine sperimentale e analisi di Voronoi

Questa tesi si ripropone di analizzare la dispersione di particelle in un flusso turbolento a shear omogeneo, ciò costituisce un’innovazione in quanto abitualmente tali analisi vengono effettuate per flussi turbolenti isotropi. La scelta di un flusso “Homogeneous Shear Flow” (HSF) favorisce una trattazione più rigorosa perchè esente da disomogeneità, inoltre questo tipo di flusso può essere utilizzato in prima approssimazione come modello per gran parte dei flussi multifase reali.
Il lavoro è stato svolto in due momenti: il primo dedicato alla sperimentazione, ovvero l’acquisizione dei dati, ed il secondo riguardante l’analisi dei dati ottenuti attraverso il metodo delle aree di Voronoï. L’acquisizione vera e propria dei dataset è avvenuta durante il tircoinio, della durata di 4 mesi, svolto presso l’istituto CNR-INSEAN, utilizzando parte di un set-up pre esistente adattato, la dove necessario, alle esigenze dell’analisi sperimentale da svolgere. Si è trattato quindi di acquisire delle immagini del flusso inseminato illuminato da una lamina di laser, tali acquisizioni sono state precedute dalla taratura del sistema di misura. In secondo momento invece, ho rielaborato i dati collezionati ed ho effettuato un analisi sui campioni acquisiti legata all’individuazione delle particelle.
L’indivudazione dei centri delle particelle è finalizzata alla verifica della presenza del fenomeno dell’accumulazione preferenziale. Questa è una problematica sulla quale sono state svolte numerose indagini, a causa della sua ricorsiva presenza in natura e della sua difficile modellizzazzione. Sono state svolte numerose simulazioni numeriche dal notevole onere computazionale, che non presentano la completa aderenza alla realtà essendo basate su un modello semplificato del fenomeno, da qui la necessità di un’analisi parallela di natura sperimentale.
Per verificare la presenza di questo fenomeno ho misurato l’ampiezza delle aree di Voronoï associate ad ogni particella. Essendo le dimensioni delle aree proporzionali alla concentrazione di particelle all’interno dell’acquisizione, più l’area risulta essere di piccole dimensioni, più alta è la concentrazione di particelle in quella determinata zona. Ho individuato, attraverso il confronto dei dati sperimentali con quelli ottenuti da Ferenc e Neda1 relativi ad una distribuzione poissoniana di particelle, un’area caratteristica del clustering. Ho trovato così la misura dell’area sotto la quale si può parlare di clustering perchè, paragonata ad una distribuzione casuale di particelle, risulta essere più piccola di quanto in effetti non sarebbe se non fosse presente il fenomeno del clustering.
Oltre ad eseguire quest’analisi rigorosa sulla presenza del clustering, ho effettuato un’analisi di natura qualitativa relativa all’allineamento dei clusters a 45° , sostenuta dalla trattazione rigorosa di natura sperimentale e numerica svolta in “Clustering of inertial particles in homogeneous sheared turbulence”2 L’analisi delle aree di Voronoï a questo livello non fornisce informazioni precise sulla geometria complessiva risultante dalla connessione delle aree, ma permette una visualizzazione qualitativa delle struttre coerenti associabili al clustering. Questo allineamento è il risultato dell’interazione delle strutture vorticose presenti in flussi a shear omogeneo e l’accumulazione preferenziale delle particelle inerziali. A partire dai dati analizzati ho ritrovato, nel piano che contiene il profilo del flusso, la presenza di clusters allungati a differenza di ciò che si può osservare nel piano parallelo al fondo del canale.
Tali evidenze porterebbero ad avvalorare la tesi dell’interazione tra particelle pesanti e strutture turbolente in fluissi multifase.
Il fenomeno del clustering ha diverse applicazioni, dalla riduzione della resistenza viscosa a causa della coalescenza di bolle, al recupero di materiali inquinanti in filtri industriali, come al recupero di particolato nella post combustione. L’esempio di più evidente di clustering nella vita di tutti i giorni riguarda la coalescenza di particelle di acqua all’interno delle nubi che una volta raggiunta una dimensione sufficientemente elevata precipitano sotto forma di pioggia.
La tesi si articola in tre capitoli: nel primo capitolo viene introdotto il fenomeno dal punto di vista teorico spiegando il comportamento di flussi multi-fase, e illustrando le strutture presenti all’interno di flussi a shear omogeneo. Nel secondo capitolo invece viene illustrato il set-up e il principio di funzionamento dei componenti dello stesso. Nel terzo capitolo invece è illustrata la modalità di elaborazione dei data-set ovvero la definizione delle aree di Voronoï, la loro misurazione ed il confronto con la distribuzione Poissoniana.