La ricerca proposta ha lo scopo di studiare lo scambio termico per convezione naturale in liquidi puri e sospensioni liquide di nanoparticelle (nanofluidi) da schiere di tubi o cilindri orizzontali, diversamente orientate rispetto al vettore accelerazione di gravità.
Al riguardo, infatti, mentre sono rintracciabili in letteratura diversi lavori eseguiti utilizzando l'aria, gli studi basati sull'impiego di liquidi sono assai pochi, principalmente sperimentali, più che altro a carattere dimostrativo, emergendone una non trascurabile scarsità di dati disponibili sul comportamento convettivo naturale dei liquidi quando al loro interno sia immersa una schiera di tubi o cilindri. Questa configurazione, d'altra parte, riveste notevole interesse sia dal punto di vista applicativo, ad esempio nel settore dell'ingegneria dedicato alla realizzazione di apparati di scambio termico, sia dal punto di vista fenomenologico, dal momento che le diverse strutture di moto che si sviluppano nel fluido in relazione alla posizione reciproca dei vari tubi o cilindri possono dar luogo sia ad incrementi che a riduzioni delle prestazioni di scambio termico di ciascuno di essi rispetto al caso di cilindro isolato. Inoltre, per il caso dei nanofluidi, alla scarsità dei dati disponibili si aggiunge una limitata affidabilità dei risultati numerici conseguiti dai diversi autori per configurazioni in qualche modo riconducibili alla presente (seppure solo lontanamente), a causa dell'utilizzo di modelli poco aderenti alla realtà, che ne pregiudica fortemente l'utilizzo.
In questo contesto, viene proposta una ricerca numerico-sperimentale con l'obiettivo di (a) determinare, in funzione del tipo di fluido considerato, della geometria ed inclinazione della schiera e delle temperature in gioco, la dipendenza delle prestazioni di scambio termico dai vari parametri di controllo, (b) individuare le configurazioni ottimali ai fini dello scambio termico e (c) proporre correlazioni operative di calcolo.
L'innovatività della ricerca proposta è strettamente correlata all'attuale scarsità di dati sulla convezione naturale in liquidi puri e nanofluidi da schiere di tubi o cilindri orizzontali, disposte verticalmente o inclinate rispetto al vettore accelerazione di gravità, trattandosi, come detto, di una configurazione ad elevato interesse applicativo, nonché di considerevole valenza fenomenologica, tenendo conto dei diversi effetti che la posizione di ciascun elemento della schiera esercita sul campo termofluidodinamico. Per il caso specifico dei nanofluidi, alla indisponibilità di dati riguardanti le schiere, si aggiunge anche una limitata affidabilità dei risultati numerici conseguiti dai diversi autori per situazioni in qualche modo riconducibili alla presente, come ad esempio quella di un cilindro singolo contenuto all'interno di una cavità, che ne pregiudica fortemente l'utilizzo.
Per ciò che concerne i liquidi puri, i pochi dati disponibili in letteratura, pubblicati tutti nell'ultimo decennio, sono relativi a schiere costituite da due soli elementi, per le quali sarebbe quindi più opportuno parlare di coppie di tubi o cilindri piuttosto che di schiere. Relativamente alla configurazione verticale, che dunque consiste di due elementi sovrapposti, si tratta dei dati ottenuti sperimentalmente in acqua da Reymond et al. [1], Persoons et al. [2] e Grafsronningen e Jensen [3] e di quelli ricavati numericamente da Shyam et al. [4] per numeri di Prandtl fino a 100. Relativamente alla configurazione inclinata, che dunque consiste di due elementi sovrapposti disassati, si tratta dei dati ricavati numericamente da Heo et al. [5] e Heo e Chung [6] per numeri di Prandtl fino a 2000. Al riguardo, è importante osservare che i risultati sopra citati, per quanto forniscano interessanti informazioni su alcuni tra i diversi aspetti fenomenologici in gioco, non sono estrapolabili al comportamento effettivo delle schiere di tubi o cilindri, che, nella maggior parte delle realtà applicative, sono costituite da un numero di elementi maggiore di due.
Per ciò che riguarda i nanofluidi, nessuno dei lavori disponibili in letteratura su cilindri singoli all'interno di cavità, tutti di tipo numerico - ossia gli studi svolti da Parvin et al. [7], Sheikholeslami et al. [8-10], Habibi Matin e Pop [11] e Ravnik e Skerget [12] -, giunge a risultati affidabili, poichè essi non tengono in debito conto l'effettivo comportamento della sospensione, in quanto: (a) spesso si basano sull'adozione di modelli per il calcolo della conducibilità termica e della viscosità dinamica non aderenti alla realtà fisica, come ad esempio l'equazione di Brinkman per il calcolo della viscosità dinamica [7, 8, 10, 12]; e (b) si fondano tutti sull'approccio omogeneo monofase, in base al quale i nanofluidi sono trattati alla stregua di fluidi puri con proprietà termofisiche equivalenti, nell'ipotesi che le nanoparticelle in sospensione, oltre ad essere in equilibrio termico locale con il liquido di base, non siano soggette a moto relativo rispetto al liquido stesso, i cui effetti, viceversa, giocano un ruolo determinante nella descrizione del comportamento dei nanofluidi, come di recente mostrato da Corcione et al. [13] e Quintino et al. [14]. Tutto ciò pone in chiara evidenza l'importanza di utilizzare un modello di calcolo che sia in grado di riprodurre in modo quanto più fedele possibile il comportamento dei nanofluidi, eseguendo un confronto dei risultati ottenuti dall'applicazione del modello stesso con la più ampia gamma possibile di dati sperimentali disponibili in letteratura.
Per quanto sopra illustrato, le potenzialità di realizzare un avanzamento delle conoscenze rispetto allo stato dell'arte sono insite nell'innovatività dello studio proposto. Al riguardo, si ritiene che il raggiungimento degli obiettivi elencati nel precedente paragrafo possa contribuire a colmare la lacuna di conoscenza ad oggi esistente sull'argomento oggetto della presente ricerca,
Riferimenti bibliografici
[1] O Reymond et al., Exp. Therm. Fluid Sci. 32 (2008) 1702-1709.
[2] T. Persoons et al., Int. J. Heat Mass Transf. 54 (2011) 5163-5172.
[3] S. Grafsronningen and A. Jensen, Int. J. Heat Mass Transf. 55 (2012) 5552-5564.
[4] R. Shyam et al., Int. J. Heat Mass Transf. 64 (2013) 1127-1152.
[5] J. H. Heo et al., Int. J. Heat Mass Transf. 57 (2013) 1-8.
[6] J. H. Heo and B. J. Chung, Heat Mass Transf. 50 (2014) 769-777.
[7] S. Parvin et al., Int. Comm. Heat Mass Transf. 39 (2012) 1220-1225.
[8] M. Sheikholeslami et al., Int. Comm. Heat Mass Transf. 39 (2012) 978-986.
[9] M. Sheikholeslami et al., Energy 60 (2013) 501-510.
[10] M. Sheikholeslami et al., J. Taiwan Inst. Chem. Eng. 45 (2014) 1204-1216.
[11] M. Habibi Matin and I. Pop, Int. J. Heat Mass Transf. 61 (2013) 353-364.
[12] J. Ravnik and L. Skerget, Int. J. Heat Mass Transf. 89 (2015) 596-605.
[13] M. Corcione et al., Num Heat Transf. A 70 (2016) 223-241.
[14] A. Quintino et al., Num Heat Transf. A 71 (2017) 270-289.