Studio computazionale di rottura di gocce in emulsioni = Computational study of drop breakup in emulsions

La rottura di una goccia dispersa in un secondo fluido è un argomento di interesse accademico e pratico. In generale, in applicazioni pratiche la rottura di gocce è utilizzata per ottenere dispersioni più fini, in modo da formare emulsioni o aumentare l’area superficiale tra le due fasi, aumentando l’entità dello scambio di materia o di energia. La dimensione delle gocce determina, inoltre, le proprietà meccaniche e la reologia dei sistemi dispersi. L’obiettivo del lavoro di tesi è l’ottenimento di valori accurati per le condizioni critiche che portano alla rottura di una goccia immersa in un secondo fluido attraverso il metodo VOF implementato nel software OpenFOAM. Lo studio viene effettuato valutando il numero di capillarità critico, condizione alla quale avviene la rottura della goccia, al variare del rapporto di densità e del tipo di campo di moto del fluido esterno. Quest’ultimo è caratterizzato attraverso il mixing index, parametro che assume valore nullo per il campo di moto rotazionale, valore pari a 0.5 per il moto di taglio puro e valore unitario per il campo di moto puramente elongazionale. L’ottenimento di valori accurati per il numero di capillarità critico permetterebbe di ricavare relazioni predittive per la rottura delle gocce in differenti condizioni: al momento, infatti, i modelli utilizzati nelle simulazioni di fluidodinamica computazionale per sistemi dispersi non hanno mostrato capacità predittiva soddisfacente. La possibilità di ottenere relazioni più aderenti ai dati sperimentali permetterebbe un miglioramento di questi modelli, portando ad un'ottimizzazione delle condizioni operative da utilizzare industrialmente per garantire una certa distribuzione delle dimensioni di goccia e, conseguentemente, le proprietà ricercate per il prodotto. I risultati ottenuti attraverso l'utilizzo del metodo VOF con un dominio bidimensionale hanno mostrato limiti nell'identificazione di un valore limite del rapporto di viscosità oltre il quale non avviene rottura di gocce in moto di taglio puro e i valori critici ottenuti per rapporti di viscosità molto bassi non sono sufficientemente in accordo con i dati sperimentali riportati in letteratura. La metodologia si è mostrata adatta per la predizione del numero di capillarità critico in un intervallo di valori del rapporto di viscosità intermedio.