Analisi sperimentale degli effetti indotti dalla cavitazione idrodinamica sul campo di moto a valle di un restringimento ad orifizio = An experimental investigation on the effects induced by hydrodynamic cavitation on the flow field downstream orifice plates

Le piastre forate nei circuiti idraulici sono attualmente studiate nell’ambito del trattamento dell’acqua, in particolare per la disinfezione microbiologica. Questa tipologia di restringimento risulta interessata dal fenomeno della cavitazione idrodinamica quando vengono raggiunte condizioni critiche di portata alle quali è associata una caduta di pressione tale da raggiungere valori locali inferiori alla tensione di vapore del fluido. Gli effetti della cavitazione possono favorire determinati processi fisici e chimici in modo da intensificare la disinfezione. Nonostante questo sia stato ampiamente discusso e dimostrato in letteratura, la conoscenza della fisica riguardante la idrodinamica del flusso all’interno e a valle degli orifizi è ancora limitata, specialmente quando interviene il fenomeno della cavitazione idrodinamica. Questo lavoro di tesi ha come obiettivo quello di valutare le principali differenze che si hanno nelle caratteristiche del moto quando interviene il fenomeno cavitativo. Le prove sperimentali sono condotte impiegando un circuito idraulico di laboratorio con misure standard di pressione e portata oltre ad un sistema ottico-laser di velocità puntuale chiamato Particle Image Velocimetry (PIV). Quest’ultima tecnica è vantaggiosa perché offre una visualizzazione bidimensionale ad alta risoluzione spaziale della velocità istantanea del fluido. Per la costrizione del flusso viene utilizzata una piastra a singolo orifizio posizionata in corrispondenza della sezione di prova. Lo studio ha riguardato piastre con fori di diverso diametro, definiti come thin o thick in funzione dei parametri geometrici e delle condizioni idrodinamiche del flusso che li attraversa. In particolare, nel caso si verifichi il riattacco della vena fluida internamente all’orifizio la piastra risulta considerata come elemento thick, mentre nel caso contrario viene assunta come elemento thin. Le indagini sono state condotte facendo misurazioni sia in presenza che in assenza di cavitazione, variando o mantenendo costante il numero di Reynolds, in maniera tale da esaminare gli effetti indotti dal fenomeno cavitativo sulle dissipazioni di energia e sul campo di moto. L’adozione di un modello teorico, associato all’orifizio thick, ha dimostrato che, all’aumentare del regime cavitativo, le perdite di carico aumentano e che la tipologia di flusso nell’orifizio risulta variare, modificandone il comportamento fluidodinamico da thick a thin. Dai risultati ottenuti mediante le misure PIV si evince come la cavitazione determini, a parità di numero di Reynolds, un’espansione più rapida del getto ed un incremento delle fluttuazioni di velocità. Molteplici studi presenti in letteratura hanno dimostrato che la cavitazione promuove la disinfezione microbiologica dell’acqua, ipotizzando diverse possibili cause tra cui gli stress fluidodinamici e la produzione di radicali liberi fortemente reattivi. I risultati di questo lavoro di tesi dimostrano che gli sforzi fluidodinamici sono più intensi quando interviene la cavitazione, e pertanto l’abbattimento della carica batterica può effettivamente essere legata all’entità di questi sforzi.