Credits:Per gentile concessione dei ricercatori, a cura di MIT News

Introduzione

Che si tratti di acqua che fluisce attraverso una piastra del condensatore in un impianto industriale o di aria che irrompe attraverso i condotti di riscaldamento e raffreddamento, il flusso di fluido attraverso le superfici piane è un fenomeno al centro di molti processi della vita moderna. Tuttavia, alcuni aspetti di questo processo sono stati mal compresi e alcuni sono stati insegnati in modo errato a generazioni di studenti di ingegneria; questo è quanto dimostra una nuova analisi.

Tre zone distinte

Lo studio ha esaminato diversi decenni di ricerche e analisi pubblicate sui flussi dei fluidi. Ha scoperto che, mentre la maggior parte delle lezioni universitarie e relativi testi sul trasferimento di calore descrivono tale flusso come avere due diverse zone separate da una transizione improvvisa, in realtà ci sono tre zone distinte. Una lunga zona di transizione è significativa tanto quanto la prima e l’ultima zona, affermano i ricercatori.

La discrepanza ha a che fare con lo spostamento tra due diversi modi in cui i fluidi possono fluire. Quando l’acqua o l’aria iniziano a fluire lungo un foglio piatto e solido, si forma un sottile strato limite. All’interno di questo strato, la parte più vicina alla superficie si muove a malapena a causa dell’attrito, la parte appena sopra scorre un po’ più veloce e così via, fino a un punto in cui si muove alla piena velocità del flusso originale. Questo aumento costante e graduale della velocità attraverso un sottile strato limite è chiamato flusso laminare. Ma più in basso, il flusso cambia, interrompendosi nei vortici caotici e nei vortici noti come flusso turbolento.

Le proprietà di questo strato limite determinano la capacità del fluido di trasferire il calore, che è la chiave di molti processi di raffreddamento come computer ad alte prestazioni, impianti di desalinizzazione o condensatori di centrali elettriche.

L’analisi di Lienhard

Agli studenti è stato insegnato a calcolare le caratteristiche di tali flussi come se ci fosse un improvviso passaggio dal flusso laminare al flusso turbolento. Ma John Lienhard, professore al MIT, ha effettuato un’attenta analisi dei dati sperimentali pubblicati e ha scoperto che questa immagine ignora una parte importante del processo. I risultati sono stati appena pubblicati sul Journal of Heat Transfer . 

L’analisi di Lienhard sui dati di trasferimento di calore rivela una zona di transizione significativa tra i flussi laminari e turbolenti. La resistenza di questa zona di transizione al flusso di calore varia gradualmente tra quelle delle altre due zone e la zona è tanto lunga e distintiva quanto la zona di flusso laminare che la precede.

I risultati potrebbero potenzialmente avere implicazioni su tutto, dalla progettazione di scambiatori di calore per la desalinizzazione o altri processi su scala industriale, alla comprensione del flusso d’aria attraverso i motori a reazione, afferma Lienhard.

In realtà, tuttavia, la maggior parte degli ingegneri che lavorano su tali sistemi comprendono l’esistenza di una lunga zona di transizione, anche se non si trova nei libri di testo universitari, osserva Lienhard. Ora, chiarendo e quantificando la transizione, questo studio aiuterà ad allineare la teoria e l’insegnamento con la pratica ingegneristica del mondo reale. “L’idea di una brusca transizione è stata radicata nei libri di testo e nelle aule per il trasferimento di calore negli ultimi 60 o 70 anni“, afferma.

Aggiustare i dati

Le formule di base per comprendere il flusso lungo una superficie piana sono le basi fondamentali per tutte le situazioni di flusso più complesse come il flusso d’aria sopra un’ala di aeroplano curva o una pala di una turbina o per raffreddare i veicoli spaziali mentre rientrano nell’atmosfera. “La superficie piatta è il punto di partenza per capire come funziona una di queste cose“, afferma Lienhard.

La teoria delle superfici piane fu definita dal ricercatore tedesco Ernst Pohlhausen nel 1921. Ma anche così, “gli esperimenti di laboratorio di solito non corrispondevano alle condizioni limite assunte dalla teoria. Una piastra di laboratorio potrebbe avere un bordo arrotondato o una temperatura non uniforme, quindi i ricercatori negli anni ’40, ’50 e ’60 spesso “aggiustavano” i loro dati per forzare l’accordo con questa teoria“, afferma. Le discrepanze tra dati altrimenti buoni e questa teoria hanno anche portato ad accesi disaccordi tra gli specialisti della letteratura sul trasferimento di calore.

Lienhard ha scoperto che i ricercatori del Ministero dell’Aeronautica britannica avevano identificato e parzialmente risolto il problema delle temperature superficiali non uniformi nel 1931. “Ma non sono stati in grado di risolvere completamente l’equazione che hanno ricavato“, afferma. “Questo ha dovuto attendere fino a quando i computer digitali potevano essere utilizzati, a partire dal 1949“. Nel frattempo, gli argomenti tra gli specialisti sono diminuiti.

Lienhard afferma di aver deciso di dare un’occhiata alle basi sperimentali per le equazioni che venivano insegnate, rendendosi conto che i ricercatori hanno saputo per decenni che la transizione ha giocato un ruolo significativo. “Volevo tracciare i dati con queste equazioni. In questo modo, gli studenti potevano vedere quanto bene le equazioni funzionavano o meno“, ha detto. “Ho guardato la letteratura sperimentale fino al 1930. La raccolta di questi dati ha reso tutto molto chiaro: ciò che stavamo insegnando era terribilmente semplificato“, e la discrepanza nella descrizione del flusso di liquidi significava che i calcoli del trasferimento di calore erano talvolta distanti.

Maggior precisione

Ora, con questa nuova analisi, ingegneri e studenti saranno in grado di calcolare accuratamente la temperatura e il flusso di calore attraverso una gamma molto ampia di condizioni di flusso e fluidi, afferma Lienhard.

La previsione del coefficiente di trasferimento di calore, all’interno di regione in cui avvengono queste transizioni, è stata una grande sfida scientifica a causa della mancanza di una chiara comprensione del primo principio della fisica fondamentale“, afferma Andrei Fedorov, professore di ingegneria meccanica presso la Georgia Tech, non coinvolto in questo lavoro. Aggiunge che Lienhard “ha accuratamente esaminato una serie di disparati dati sperimentali per la regione di transizione pubblicati nel corso di molti decenni da diversi ricercatori e ha trovato una correlazione incredibilmente efficace, nella sua potenza predittiva, per il coefficiente di trasferimento di calore che copre l’intera gamma dei flussi dal laminare al passaggio al turbolento“.

Robert Mahan, professore emerito di ingegneria meccanica alla Virginia Tech, che non era associato a questo lavoro, afferma che Lienhard “sta sottolineando – e risolvendo – incoerenze nella letteratura classica che sono rimaste irrisolte per più di una generazione. Quando la polvere accademica si depositerà da questo breve ma potente turbine, senza dubbio saranno le correlazioni aggiornate presentate in questo contributo che studiosi seri e ingegneri praticanti useranno per prevedere il trasferimento di calore da lastre piane“.

Citazioni e Approfondimenti