La ricerca proposta ha lo scopo di studiare lo scambio termico per convezione naturale in fluidi puri e sospensioni liquide di nanoparticelle da sistemi di piastre verticali multiple, mantenute alla stessa temperatura o a temperatura diversa e posizionate in campo libero o all'interno di spazi confinati.
Al riguardo, infatti, mentre sono rintracciabili in letteratura diversi lavori eseguiti in 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 sulla convezione naturale in liquidi da piastre piane verticali multiple. Questa configurazione, d'altra parte, riveste notevole interesse sia dal punto di vista applicativo, ad esempio nel settore del raffreddamento dei componenti elettronici, sia dal punto di vista fenomenologico, dal momento che le diverse strutture di moto che si sviluppano nel fluido in relazione alla posizione reciproca delle piastre possono dar luogo sia ad incrementi che a riduzioni delle prestazioni di scambio termico di ciascuna di esse rispetto al caso di una piastra singola. 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, 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 (a) di determinare, in funzione del tipo di fluido, della geometria e posizione reciproca degli elementi caldi e delle temperature in gioco, la dipendenza delle prestazioni di scambio termico di ciascun elemento e del loro insieme dai vari parametri di controllo, (b) di individuare l'esistenza di configurazioni ottimali ai fini dello scambio termico e (c) di 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 piastre piane verticali multiple mantenute alla stessa temperatura o a temperatura diversa e posizionate in campo libero o all'interno di spazi confinati, trattandosi di una configurazione di interesse applicativo, nonché di considerevole valenza fenomenologica. Inoltre, per il caso specifico dei nanofluidi, alla indisponibilità di dati riguardanti sistemi costituiti da piastre piane parallele, si aggiunge anche una limitata affidabilità dei risultati numerici conseguiti dai diversi autori per situazioni in qualche modo riconducibili a quella in esame, che ne pregiudica fortemente l'utilizzo.
Per ciò che concerne lo scambio termico in aria, i pochi dati disponibili in letteratura sono relativi a geometrie costituite da due soli elementi piani verticali in campo aperto. Si tratta dei risultati ottenuti sperimentalmente da Sparrow e Bahrami [1], Auletta et al. [2, 3] e Lu et al [4], e di quelli ricavati numericamente da Anand et al. [5] e da Baskaya et al. [6]. Dati che hanno qualche ricaduta d'interesse per le configurazioni in esame sono inoltre disponibili nei lavori sperimentali eseguiti da Straatman et al. [7] e Onur et al. [8, 9], relativi a due piastre parallele, di cui solo una riscaldata, ed inclinate rispetto al vettore accelerazione di gravità, e nel lavoro numerico condotto da Chatterjee e Raja [10], relativo all'interazione di elementi caldi sovrapposti all'interno di un canale verticale. Al riguardo, è importante osservare che i lavori sopra citati, per quanto forniscano interessanti informazioni su alcuni dei diversi aspetti fenomenologici in gioco, non sono riconducibili al comportamento di piastre in cavità in cui gli effetti del confinamento laterale, ed eventualmente del pelo libero superiore, svolgono un ruolo fondamentale.
Per ciò che riguarda i nanofluidi, nessuno dei lavori disponibili in letteratura, tutti di tipo numerico, ossia gli studi svolti da Corcione et al. [11], Narahari et al. [12], Sheremet e Chinnasamy [13] e Biswal et al. [14] giunge a risultati del tutto affidabili, poiché 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 interna e della viscosità dinamica non aderenti alla realtà fisica, come ad esempio l'equazione di Brinkman per il calcolo della viscosità dinamica; (b) spesso si fondano 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 sono soggette a moto relativo rispetto al liquido stesso; e (c) quei pochi lavori che utilizzano un modello bifase implementano correlazioni per il calcolo dei coefficienti di diffusione non applicabili alle sospensioni di nanoparticelle. 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, come di recente mostrato dal proponente [15, 16].
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 costituire un utile contributo scientifico sull'argomento oggetto della presente ricerca.
Riferimenti bibliografici
[1] E. M. Sparrow and P. A. Bahrami, J. Heat Transf. 102 (1980) 221-227.
[2] A. Auletta et al., Int. J. Heat Mass Transf. 44 (2001) 4345-4357.
[3] A. Auletta and O. Manca, Int. J. Therm. Sci. 41 (2002) 1101-1111.
[4] Q. Lu et al., Exp. Therm. Fluid Sci. 34 (2010) 73-80.
[5] N. K. Anand et al., J. Heat Transf. 114 (1992) 515-518.
[6] S. Baskaya et al., Heat Mass Transf. 35 (1999) 273-280.
[7] A. G. Straatman et al., J. Heat Transf. 116 (1994) 243-245.
[8] N. Onur et al., Heat Mass Transf. 32 (1997) 471-476.
[9] N. Onur and M. K. Aktas, Int. Comm. Heat Mass Transf. 25 (1998) 389-397.
[10] D. Chatterjee and M. Raja, Therm. Sci. 17 (2013) 567-580.
[11] M. Corcione et al., J. Heat Transf. 134 (2012) 042501-1.
[12] M. Narahariet al., Int. J. Num. Meth. Heat Fluid Flow 27 (2017) 23-47.
[13] M. Sheremet and S. Chinnasamy, Int. J. Num. Meth. Heat Fluid Flow 28 (2018) 1392-1409.
[14] U. Biswal et al, Int. J. Num. Meth. Heat Fluid Flow (2019) doi.org/10.1108/HFF-06-2018-0302.
[15] M. Corcione et al., Num. Heat Transf. A 70 (2016) 223-241.
[16] A. Quintino et al., Num. Heat Transf. A 71 (2017) 270-289.