Il presente progetto si propone lo studio e la comprensione dell'accoppiamento a doppia via tra la dinamica di una bolla di vapore/gas all'interno di un liquido e la deformazione e il danneggiamento di materiali metallici e non. Tale fenomeno, riassunto spesso con l'espressione "danneggiamento da cavitazione", è molto complesso e non ancora del tutto chiarito dal punto di vista fisico. Questo perché le condizioni in cui ha luogo sono tali da permettere l'osservazione di comportamenti, sia del fluido sia della struttura a contatto con esso, difficili da caratterizzare propriamente in termini fisico/matematici tramite modelli al continuo. E se da una parte la loro modellizzazione risulta complessa, dall'altra l'osservazione sperimentale rimane ancora fortemente limitata dalle tecnologie presenti. La dinamica ed implosione di una bolla di vapore all'interno di un fluido, infatti, è un fenomeno multi-scala, che coinvolge diverse scale spaziali e temporali, sviluppandosi in pochi microsecondi, ma portando a conseguenze osservabili nel macroscopico. D'altro canto, la deformazione del materiale soggetto ai carichi generati in seguito alla dinamica della bolla, si sviluppa anch'essa su scale temporali paragonabili a quelle del fluido, o persino inferiori; rendendo estremamente complicata l'osservazione sperimentale.
Ciò suggerisce lo sviluppo di adeguati modelli che descrivano il fluido ed il materiale a contatto, con lo scopo di analizzare il fenomeno mediante analisi numeriche, che hanno il grande pregio di permettere la conoscenza di tutte le variabili in gioco in ogni istante. Queste simulazioni devono però permettere l'interazione fluido-struttura tramite un accoppiamento a doppia via, in cui le sollecitazioni generate dal fluido sul materiale abbiano un effetto sulla deformazione del solido, che a sua volta assumerà delle configurazioni tali da influire sulla successiva dinamica del fluido. Tale scopo verrà perseguito tramite simulazioni ad elementi finiti.
Per quel che riguarda l'innovatività, si ritiene che la ricerca lo sia sotto molto e diversi aspetti:
- Dal punto di vista della descrizione fluidodinamica del sistema, lo sforzo è orientato all'introduzione, nelle simulazioni, di un'equazione di stato che permetta di simulare il comportamento fisico dell'acqua, osservato sperimentalmente e descritto quantitativamente in [10] sotto forma di equazione di stato. Questo punto è di notevole interesse in quanto di difficile realizzazione numericamente, poiché le caratteristiche fisiche dell'acqua la rendono di difficile integrazione numerica e molto instabile. Tuttavia si ritiene che gli strumenti di cui si sta facendo già uso [9] permettano l'inserimento dell'acqua nelle simulazioni (come già verificato con molteplici test). L'innovatività di tale aggiunta risiederebbe nel fatto di poter riuscire, per la prima volta, a quantificare la dinamica di cavitazione di un sistema in cui sia presente l'acqua in equilibrio dinamico con il suo vapore, che imploda in prossimità di un materiale solido.
- Per quanto riguarda la descrizione della dinamica del solido sono presenti molteplici innovazioni realizzabili. In primo luogo, il solo fatto di poter simulare l'accoppiamento completo con il fluido, e in particolare con l'acqua, risulterebbe di grande impatto, in quanto unicum nel panorama internazionale. La possibilità di quantificare le deformazioni generate dalle sollecitazioni di un sistema rispondente alle caratteristiche di un fluido reale, comparabili perciò con gli esperimenti, avrebbe notevole risonanza nel settore, in quanto ancora irrealizzato, e potrebbe aprire la via a modelli di calcolo semplificati e fisicamente basati, nonché ad una più profonda e completa comprensione del fenomeno.
Inoltre, se l'obiettivo è, da una parte, quello di includere in maniera modulare diversi modelli di solido rispondenti a diversi materiali ed esigenze (per spaziare dalla descrizione di metalli a quella di tessuti biologici), dall'altra si è già fatto lo sforzo di includere, nella versione preliminare del codice, il contributo dinamico dovuto all'inerzia e alle onde elastiche e plastiche che si propagano nel materiale, troppo spesso ignorate nelle simulazioni di meccanica dei solidi che pretendono di essere quasi-statiche, ma che in casi come questi, dove è presente il fenomeno altamente non lineare della plasticizzazione dei materiali, e dove le scale temporali del fluido e del solido si combinano, non è possibile escludere a priori; ed è anzi stato individuato come una delle cause preminenti nella formazione e propagazione di plasticizzazioni locali nel materiale, come descritto in [11]. L'aggiunta del termine inerziale non pregiudica inoltre la possibilità di ottenere un modello integrabile numericamente, quando utilizzato insieme alle relazioni costitutive proprie dell'elasto-plasticità e del danneggiamento, come recentemente dimostrato in [12].
- La possibilità di avere un ampio bacino di simulazioni numeriche da cui attingere risultati molto vari, infine, permetterà di analizzare aspetti innovativi anche dal punto di vista dell'osservazione sperimentale, in quanto potranno essere settati rapidamente esperimenti "ad hoc" di confronto, potendo disporre di un apparato completo già pronto all'uso, grazie al quale verranno abbattuti tutti I tempi di progettazione dell'esperimento.
[10] Wagner, Wolfgang, and Andreas Pruß. "The IAPWS formulation 1995 for the thermodynamic properties of ordinary water substance for general and scientific use." Journal of physical and chemical reference data 31.2 (2002): 387-535.
[11] Haosheng, Chen, and Liu Shihan. "Inelastic damages by stress wave on steel surface at the incubation stage of vibration cavitation erosion."
Wear 266.1-2 (2009): 69-75.
[12] Davoli, Elisa, Tomáš Roubí¿ek, and Ulisse Stefanelli. "Dynamic perfect plasticity and damage in viscoelastic solids." ZAMM¿Journal of Applied Mathematics and Mechanics/Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik (2019): e201800161.