Simulazioni di fluidi complessi con fluidodinamica computazionale = Simulations of complex fluids with computational fluid dynamics

Il seguente lavoro di tesi ha come l’obiettivo lo studio della miscelazione di fluidi semplici e strutturati in reattori agitati con differenti geometrie attraverso l’utilizzo della fluidodinamica computazionale (CFD). Quest’ultimo è emerso negli anni ’80 come uno strumento significativo per lo studio della fluidodinamica sia nella ricerca che nella pratica grazie al rapido sviluppo tecnologico. Per effettuare le simulazioni è stato utilizzato OpenFOAM, un software open-source. Il processo di miscelazione gioca un ruolo essenziale nei processi industriali. La sua efficacia dipende dalla temperatura, dalla viscosità e densità dei fluidi, dal tipo di agitatore e dalla forma della girante. Sono stati analizzati sia fluidi semplici e Newtoniani, come l’acqua, sia fluidi con una reologia complessa e non-Newtoniani, ossia una miscela di acqua e Pluronic L64 a diverse percentuali. Si parla quindi di fluidi strutturati. Grazie alla particolarità delle loro proprietà reologiche, trovano applicazione in parecchi campi, dall’industria alimentare, cosmetica e farmaceutica. Essi, infatti, hanno un comportamento intermedio tra un liqui do ed un solido. Il lavoro di tesi è suddiviso in due parti. La prima parte propone una revisione letteraria sui concetti fondamentali su cui si basa il lavoro. Nel primo capitolo si descrivono le principali tipologie di agitatori ed i meccanismi di miscelazione che avvengono nei serbatoi agitati. Inoltre, si definiscono i parametri necessari per uno studio accurato e per lo scale-up dei reattori. Nel secondo capitolo si fornisce una descrizione delle grandezze fisiche fondamentali per la comprensione della dinamica dei fluidi. Viene analizzata particolar mente la reologia dei fluidi ed i diversi comportamenti che essi seguono in base al modello reologico che viene definito. Nel terzo capitolo vengono spiegate le caratteristiche e le applicazioni principali dei fluidi strutturati con particolare attenzione ai copolimeri anfifilici a blocchi in presenza del solvente acqua. Nel quarto capitolo si descrivono le tecniche utilizzate per risolvere le equazioni di governo. Inoltre, viene illustrato come modellare la geometria della girante. Il quinto capitolo introduce l’architettura ed il funzionamento del software OpenFOAM. Nella seconda parte si riportano i sistemi geometrici investigati ed i relativi risultati ottenuti. Il sesto capitolo riporta i sistemi geometrici investigati ed i dettagli computazionali impostati per effettuare la simulazione. Infine, nel settimo capitolo sono illustrati i risultati ottenuti sul consumo di potenza dei reattori con fondo piatto e fondo pseudo-ellittico, sul tempo di miscelazione nella cavità ed in un reattore bidimensionale, e sui dati sperimentali forniti dall’Università di Bologna.