Scambio termico in flussi turbolenti con particelle sospese in presenza di gradiente di temperatura imposto = Heat exchange in turbulent flows with suspended particles forced by an imposed temperature gradient

Scambio termico in flussi turbolenti con particelle sospese. Lo studio dei flussi turbolenti si è consolidato in maniera consistente a partire dal famoso lavoro di Kolmogorov del 1941, che fornisce le prime predizioni basandosi sull'ipotesi d'isotropia locale e di elevato numero di Reynolds, sicché la differenza del modulo della velocità del fluido in due punti distinti dello spazio dipendesse solo dalla dissipazione e dalla distanza tra i punti. Le conseguenze di questa ipotesi sono fondamentalmente due: l'autosimilitudine statistica del campo di velocità, ovvero un comportamento regolare del campo; e la distribuzione gaussiana della funzione densità di probabilità delle fluttuazioni di velocità all'interno di tutto il dominio. Tuttavia un campo scalare trasportato dal flusso ha un comportamento ben diverso, caratterizzato da una significativa intermittenza e deviazione dalla gaussianità con la formazione di strutture che sono state descritte come "ramps" e "cliffs". Tramite l'utilizzo di tecniche di simulazione numerica diretta è stato studiato il comportamento della temperatura, approssimata come uno scalare passivo, in un flusso incomprimibile. È stato quindi studiata l'interazione termica tra il flusso e particelle sospese di materiale diverso rispetto a quello del fluido, in particolare un materiale con densità molto maggiore di quella del fluido. La turbolenza viene considerata omogenea, incomprimibile e stazionaria. Le particelle, di dimensione molto minore della scala di Kolmogorov, sono considerate come punti materiali e la loro dinamica è determinata da due parametri: il numero di Stokes e il numero di Stokes termico. Il primo è indicativo dell'inerzia delle particelle, e misura il tempo che impiega la particella ad adeguarsi alle variazioni di velocità del fluido; il secondo invece quantifica l'inerzia termica delle particelle, e valuta quindi quanto facilmente esse riescono a scambiare calore con il fluido. In funzione di questi parametri le particelle interagiscono in maniera differente con il fluido che le trasporta. In questo elaborato si è voluto indagare come le particelle influenzino i campi di velocità e di temperatura, al variare del loro numero di Stokes e numero di Stokes termico, in una turbolenza forzata con un gradiente di temperatura media imposto. Le condizioni iniziali del problema sono state generate in modo completamente aleatorio, e di conseguenza la distribuzione delle particelle all'interno del dominio risulta omogenea. La presenza di una forzante porta al raggiungimento di uno stato statisticamente stazionario. Particelle più dense del fluido tendono a disporsi nel dominio in modo non modo non omogeneo, andando a campionare preferenzialmente il flusso nelle regioni, dette fronti, in cui si hanno grandi gradienti dello scalare trasportato. Valutare in che modo le particelle si muovono all'interno di un flusso turbolento, dove si concentrano in maniera preferenziale, e come esse influenzano il flusso che le trasporta, è di grande interesse in diversi campi dell'ingegneria e non solo. Dal trasporto degli inquinanti in atmosfera, alla diffusione di un soluto all'interno di una soluzione, alla concentrazione di plankton negli oceani, tutti questi fenomeni possono essere valutati partendo dai risultati ottenuti, allargando così lo spettro di interesse della trattazione a un numero assai vasto di campi.