Analisi della turbolenza in mezzi porosi del tipo matrice TPMS (Triple Periodic Minimal Surface) attraverso DNSs (Direct Numerical Simulation) con il codice JAGUAR (ONERA-CERFACS©) = Turbulence analysis of TPMS (Triple Periodic Minimal Surface) materials using DNSs (Direct Numerical Simulation) with the JAGUAR code (ONERA-CERFACS©)

I mezzi porosi trovano applicazione in settori come energia, chimica e ingegneria ambientale, migliorando il trasferimento di calore e massa, ottimizzando il flusso dei fluidi e favorendo il mixing. Il loro potenziale nei sistemi di combustione turbolenta è significativo, promettendo tecnologie a basse emissioni attraverso una migliore miscelazione turbolenta e stabilizzazione della fiamma. Tuttavia, comprendere le dinamiche di flusso nei mezzi porosi presenta sfide. L’alta curvatura, le piccole caratteristiche strutturali e gli elevati numeri di Reynolds richiedono mesh estremamente fini e piccoli passi temporali, portando a costi computazionali elevati. Studi recenti usano simulazioni macroscopiche che trascurano i dettagli a scala del poro o approcci DNS (Direct Numerical Simulation) su geometrie semplificate. Le TPMS (Triple Periodic Minimal Surfaces) sono promettenti per le loro proprietà termiche, strutturali e diffusive. Queste strutture facilitano il trasporto e sono facili da fabbricare e parametrizzare, consentendo un controllo superiore. Questa ricerca studia la turbolenza nelle TPMS usando DNS con il codice JAGUAR (ONERA-CERFACS©), che integra il Metodo delle Differenze Spettrali con Condizioni al Contorno Immersive (IBC) e la tecnica di Scaling del Gradiente di Pressione (PGS). Il PGS migliora l’efficienza della simulazione, consentendo passi temporali più grandi e riducendo i costi computazionali pur mantenendo l’accuratezza. La turbolenza è generata tramite il Metodo di Fourier Sintetico Casuale, iniettando uno spettro controllato, un approccio innovativo rispetto alla generazione convenzionale con condizioni periodiche e gradienti di pressione forzati. La validazione del PGS mostra che anche in simulazioni più grossolane, gli errori medi nella velocità e nell’energia cinetica turbolenta (TKE) rimangono sotto il 4% e il 5%. I risultati chiave mostrano che, in configurazioni TPMS ad alta porosità, come il Gyroid con porosità del 90%, le scale di turbolenza di grandi dimensioni si riducono alla dimensione del poro quando il flusso le attraversa. Le TPMS agiscono come riduttori di scala, diminuendo le scale di lunghezza e tempo della turbolenza, che poi aumentano all’uscita dal mezzo poroso. La TKE cresce di circa il 4% per poro, dopo un incremento iniziale del 600% all’ingresso. Le TPMS isotropizzano il flusso, confermato dall’analisi della densità spettrale di potenza, che mostra un comportamento simile a quello delle griglie turbolente. Confrontando configurazioni Gyroid con porosità 0,90 e 0,72, si osserva che ridurre la porosità aumenta la TKE fino al 65%, con un aumento dei tassi di dissipazione di un fattore di 10. Le scale turbolente si adattano alla dimensione del poro, confermando l’Ipotesi di Prevalenza alla Scala del Poro (PSPH). Questa adattabilità avviene quasi immediatamente nelle strutture a bassa porosità, mentre in quelle ad alta porosità sono necessari circa tre pori per un completo adattamento. Questi risultati evidenziano la capacità delle TPMS di controllare l’intensità della turbolenza e la dissipazione energetica, rendendole ideali per applicazioni come scambiatori di calore e sistemi di combustione. In conclusione, le TPMS offrono un potenziale significativo per avanzare nella comprensione dei flussi turbolenti nei mezzi porosi. Con l’iniezione controllata di spettro di turbolenza e la validazione del metodo PGS, questo studio fornisce nuove prospettive per tecnologie di combustione a basse emissioni e applicazioni ad alta efficienza energetica.