Dinamica di bolle di gas e vapore in un campo di pressione stocastico = Gas-vapour bubble dynamics in a stochastic pressure field

Più di 2 miliardi di persone nel mondo non hanno accesso a servizi di gestione dell’acqua potabile sicuri, specialmente nei paesi in via di sviluppo, e questo numero tenderà ad aumentare nei prossimi anni a causa dei cambiamenti climatici e della crescita della popolazione. Una fase particolarmente importante nella potabilizzazione dell’acqua è la disinfezione, che ha lo scopo di rimuovere o inattivare i microrganismi patogeni per l’uomo. La disinfezione può essere svolta tramite processi sia chimici sia fisici. La clorazione (mezzo chimico) è la tecnica più utilizzata perché più efficiente ed economica dei mezzi fisici; tuttavia, può generare sottoprodotti pericolosi e talvolta cancerogeni. Per questo motivo è necessario sviluppare delle tecniche di disinfezione alternative, che operano senza prodotti chimici per eliminare il rischio di sottoprodotti ed implementabili facilmente nei paesi più poveri. Una delle possibili soluzioni è la cavitazione. La cavitazione consiste nella formazione, crescita e collasso di cavità (o bolle), poste in un liquido, a causa di una variazione nella pressione del liquido. L'implosione o collasso di una bolla genera un aumento locale di temperatura fino ad alcune migliaia di gradi Kelvin con formazione di radicali liberi, che influenzano lo sviluppo e l'intensità di eventuali reazioni chimiche che possono avvenire nel sistema considerato, e un aumento locale di pressione fino ad alcune centinaia di bar con emissione di onde d'urto, che generano effetti meccanici come rimescolamento ed emulsificazione, ma anche possibile erosione delle componenti del sistema. La comprensione attuale di questo complesso e turbolento sistema bifase è alquanto limitata. Questa tesi si occupa di analizzare il comportamento di bolle di gas e vapore in un liquido soggette a differenti variazioni di pressione. Nella prima parte si osserva la risposta di una bolla a un’oscillazione di pressione sinusoidale con lo sviluppo dei primi effetti non lineari che caratterizzano questa dinamica. Infatti, nonostante la periodicità della forzante, le oscillazioni del raggio della bolla possono essere non solo non simmetriche, ma anche caotiche, quindi irregolari e imprevedibili. Nella seconda parte si osserva il comportamento di una bolla in un campo di pressione stocastico, che simula l’ambiente turbolento in cui avviene il collasso delle bolle, e come l’intensità e il tempo di correlazione del rumore modifichino la distribuzione dei valori del raggio della bolla, in termini di media e forma della distribuzione.