Fluidodinamica multifase

L'attività di questa area di ricerca è rivolta alla caratterizzazione di flussi multifase in condotti adiabatici, sia a sezione costante sia in presenza di singolarità nella sezione. Vengono considerati sia flussi bifase (acqua-aria, acqua-olio, olio-aria), sia flussi trifase (acqua-olio-aria), anche in presenza di tensioattivi (per la generazione di schiume) o modificatori della bagnabilità dei condotti.

A fianco degli studi con tecniche convenzionali, un tema di rilievo è lo sviluppo di nuovi strumenti e tecniche di misura.

L'area di ricerca si occupa anche di modellistica e simulazione del funzionamento di dispositivi e impianti innovativi di conversione dell'energia, diretti e inversi, in cui siano coinvolti flussi bifase liquido-aeriforme ascendenti e discendenti.

Le ricadute di queste ricerche sono di importanza per svariati settori, tra i quali è possibile evidenziare:

l'oil&gas, per il trasporto di idrocarburi convenzionali, di transizione e pesanti;
la conversione di energia, con il supporto alla progettazione e ottimizzazione di generatori di vapore e condensatori (per impianti sia convenzionali sia nucleari) e altri dispositivi basati sulla fluidodinamica bifase;
gli ambiti chimico-farmaceutico e alimentare, sempre in relazione al trasporto di miscele bifase.

Impianti sperimentali per la fluidodinamica bifase e trifase

Fluidodinamica bifase acqua-aria: vista frontale e superiore di una bolla

Fluidodinamica trifase acqua-olio-aria: vista frontale, superiore e inferiore del core di olio e di una bolla

Fluidodinamica bifase acqua-aria: esempi di regimi di moto

Fluidodinamica trifase acqua-olio-aria: vista frontale, superiore e inferiore del core di olio e di una bolla

Fluidodinamica bifase acqua-olio: vista frontale e superiore di flusso attraverso un tubo di Venturi

Fluidodinamica trifase acqua-olio-aria: vista frontale e superiore di flusso attraverso un boccaglio

Fluidodinamica bifase acqua-aria: viste frontali di flussi in un condotto di piccolo diametro

Fluidodinamica bifase acqua-aria: viste frontali di flussi attraverso una brusca espansione di sezione

Fluidodinamica bifase acqua-olio: esempi di regimi di moto

L'analisi di questi flussi è effettuata tramite la misura delle cadute di pressione e la descrizione qualitativa e quantitativa dei regimi di moto, valutando frazione di vuoto, complessità, parametri delle strutture del flusso (ad esempio velocità e lunghezza delle strutture intermittenti), sia in termini locali sia mediati.

Vengono utilizzati:

strumenti di misura sia invasivi (valvole rapide, sonde ottiche e ad impedenza) sia esterni al condotto (strumenti capacimetrici e basati su LED, in collaborazione con l'Università di Brescia);
tecniche di imaging con riprese sia a velocità convenzionale sia ad alta velocità
modellistica tramite strumenti analitici e correlazioni empiriche;
fluidodinamica numerica (Computational Fluid Dynamics - CFD).

Gli impianti sperimentali attualmente disponibili permettono di avere diametro dei condotti da pochi millimetri a vari centimetri (rappresentativi di condizioni realistiche in ambito industriale), con una lunghezza massima investigabile intorno ai 20 m.

Fluidodinamica bifase acqua-aria: grafico 3D della distribuzione di frazione di vuoto locale su una sezione di condotto

Fluidodinamica bifase acqua-olio: simulazione CFD di flusso attraverso un tubo di Venturi

Fluidodinamica bifase acqua-olio: vista frontale, superiore e inferiore di due flussi Core Annular Flow in condotto a sezione costante

Fluidodinamica di schiume: esempi di regimi di moto e dettaglio di alcune onde

Fluidodinamica di schiume: dettaglio di due onde

Fluidodinamica bifase acqua-aria: grafici 2D di frazione di vuoto, complessità del flusso e durata locale su una sezione di condotto

Esempi di studi svolti

caratterizzazione sperimentale di flussi adiabatici acqua-aria, acqua-olio e acqua-olio-aria in condotti orizzontali senza e con singolarità nella sezione (bruschi restringimenti e allargamenti);
sviluppo di strumenti di misura delle portate per flussi multifase basati su tubi di Venturi o boccagli; in questo ambito è stato anche concesso un brevetto (link Polimi, link Polilink);
analisi delle condizioni di esistenza e stabilità e delle prestazioni del regime di moto anulare inverso (Core Annular Flow, con olio al centro del condotto e acqua a contatto con le pareti), molto favorevole per la riduzione delle perdite di carico durante il trasporto degli idrocarburi pesanti. L'analisi è stata svolta sia per condotti a sezione costante sia in presenza di variazioni nella sezione, inclusi gli strumenti di misura di cui al punto precedente;
analisi dei regimi di moto e delle perdite di carico per flussi acqua-aria in condotti con pareti ad alta idrofobicità
analisi dei regimi di moto e delle perdite di carico per flussi di schiume acqua-aria-tensioattivi (in collaborazione con Eni SpA).

Ripresa ad alta velocità di flusso bifase acqua-olio (viste frontale e dall'alto)

Ripresa ad alta velocità di flusso bifase acqua-olio (viste frontale e dall'alto, zoom)

Ripresa ad alta velocità di flusso bifase acqua-aria in un condotto orizzontale di piccolo diametro (vista frontale)

Ripresa ad alta velocità di flusso trifase acqua-olio-aria (vista frontale)

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