Cos'è il flusso turbolento?

Una caratteristica distintiva dei fluidi è che non sono rigidi ma scorrono all'interno e intorno a oggetti solidi. Il flusso turbolento si verifica quando le particelle del fluido iniziano a muoversi perpendicolarmente alla direzione di flusso dominante o alla direzione di flusso medio e mostrano cambiamenti caotici nella direzione, nella velocità di flusso e nella pressione. Questo movimento perpendicolare, spesso circolare, viene definito "vortice" o "turbolenza". Ciò è in contrasto con il flusso laminare, in cui le particelle si muovono parallelamente l'una all'altra. 

Il flusso laminare passa a flusso turbolento quando le forze inerziali create dall'energia cinetica del liquido o del gas superano le forze viscose del fluido. Il flusso turbolento è caotico e non può essere definito con un insieme di equazioni deterministiche. Gli ingegneri utilizzano invece metodi statistici per prevedere comportamenti altamente irregolari. 

A causa della natura caotica del flusso turbolento, la scienza della meccanica dei fluidi utilizza metodi statistici per caratterizzare e prevedere la velocità dei fluidi, le fluttuazioni della velocità e le fluttuazioni della pressione causate dal flusso turbolento. Questa caratterizzazione inizia con la quantità adimensionale denominata numero di Reynolds. Ulteriori equazioni acquisiscono poi altri comportamenti utili nella progettazione o nella considerazione del flusso turbolento.

Previsione del flusso turbolento: numeri di Reynolds

Nel 1883, Osborne Reynolds ha pubblicato un documento che descrive la transizione da flusso laminare a turbolento in un semplice tubo. I dati hanno mostrato come il rapporto tra forze interne e viscose predice la probabilità che si verifichi una turbolenza. Questo valore adimensionale è indicato come numero di Reynolds.

L'equazione per determinare il numero di Reynolds è:

In generale, i flussi con numeri di Reynolds bassi rimangono flussi laminari perché non dispongono dell'energia cinetica necessaria per convertire le instabilità nel movimento del fluido in flusso perpendicolare alla direzione del flusso medio. Man mano che la velocità di flusso o la densità aumenta relativamente alla viscosità del flusso, è più probabile che si verifichi turbolenza. 

4 Caratteristiche importanti del flusso turbolento

Altre importanti caratteristiche del flusso turbolento che ingegneri, fisici e chimici devono prendere in considerazione sono: 

1. Fluttuazioni e vortici

Un'importante misura del flusso turbolento è la fluttuazione, ossia la variazione della velocità in grandezza e della direzione rispetto all'ampiezza e alla direzione della velocità media. Quando le fluttuazioni presentano un movimento a spirale circolare sono chiamate vortici. Queste variazioni del flusso guidano la pressione del vettore di velocità e la temperatura del fluido, nonché l'energia cinetica e la miscelazione in reazioni chimiche e i carichi di taglio sulle strutture. 

2. Dissipazione

L'energia cinetica che crea un flusso turbolento viene convertita in energia interna attraverso lo sforzo di taglio viscoso. L'energia in grandi vortici si diffonde in vortici più piccoli con forze di taglio maggiori e questi si trasformano in vortici sempre più piccoli con forze di taglio sempre maggiori. Man mano che i vortici diventano più piccoli, l'energia cinetica si dissipa come energia viscosa. 

3. Energia cinematica ed energia viscosa

L'energia cinematica nel flusso turbolento è la quantità di energia cinetica per volume unitario e rappresenta l'energia media delle fluttuazioni della velocità turbolenta nel flusso. Le forze viscose nel fluido convertono parte dell'energia cinetica in calore a causa dell'attrito interno. La quantità di calore convertito è denominata energia viscosa. 

4. Massa, momentum e trasferimento di energia

Qualsiasi ingegnere o scienziato che lavora con la fluidodinamica vuole conoscere massa, momentum e trasferimento di energia all'interno del flusso dei fluidi che sta studiando. Questo è particolarmente importante nel flusso turbolento perché influisce sulla velocità di tutti i comportamenti di trasporto. Tale trasporto può anche essere definito diffusione turbolenta. 

Gli ingegneri utilizzano la fluidodinamica computazionale (CFD, Computational Fluid Dynamics) per prevedere il comportamento del flusso turbolento. Questo metodo numerico scompone un regime di flusso in celle e calcola la velocità, la pressione, la densità e la temperatura in ciascuna cella utilizzando le equazioni di regolazione per la conservazione di energia, massa e momentum nei fluidi. 

Le soluzioni software CFD come il software di simulazione dei fluidi Ansys Fluent e il software Ansys CFX CFD consentono di prevedere la turbolenza determinando prima quando un flusso passa da laminare a turbolento. In presenza di flusso turbolento, i solver utilizzano una varietà di equazioni semplificate per calcolare la velocità, la pressione, la temperatura e la vorticità causate dal flusso turbolento. 

Gli ingegneri possono eseguire simulazioni di flusso relativamente semplici di miscelazione di materiali diversi o modelli multifisici estremamente complessi che includono l'impatto di entrambi flusso laminare e turbolento su prestazioni ottiche, termiche e strutturali. Prima di selezionare un modello di turbolenza, i fattori chiave per il successo sono acquisire accuratamente la geometria, stabilire le condizioni di delimitazione e i vincoli corretti, definire le proprietà dei materiali e applicare i modelli matematici appropriati. Quando gli ingegneri devono prevedere il flusso turbolento, questi modelli sono solitamente composti da due classi di equazioni semplificate.

Modelli di Navier-Stokes mediati da Reynolds (RANS, Reynolds-Averaged Navier Stockes) per la turbolenza

La prima classe di equazioni di modellazione della turbolenza sono i modelli RANS. Questo approccio decompone le quantità di flusso nel flusso medio e nei componenti fluttuanti. I modelli RANS utilizzano studi empirici per approssimare il comportamento turbolento. Alcuni dei modelli RANS più comunemente utilizzati sono:

• Modelli Spalart-Almaras (SA): un semplice modello che risolve una singola equazione di trasporto. È comunemente utilizzato per il flusso esterno, soprattutto in aerodinamica, ed è un modello a basso numero di Reynolds. 
• Modelli a due equazioni: Gli ingegneri utilizzano una famiglia di modelli che usa due equazioni di trasporto. Due equazioni consentono di modellare gli effetti storici, come la diffusione di energia turbolenta e la convezione. La prima variabile di trasporto determina l'energia cinetica nella turbolenza, mentre la seconda variabile di trasporto rappresenta la lunghezza o la scala temporale della turbolenza. I modelli comuni a due equazioni includono k-⍵ generalizzato (GEKO), baseline (BSL), shear stress transport (SST) e K-epsilon (k-ε). Questi modelli possono essere utilizzati indipendentemente o combinati. Sono spesso utilizzati per applicazioni industriali. 

Modelli di simulazione con risoluzione in scala per turbolenza

La seconda classe di modelli di turbolenza, la simulazione con risoluzione in scala, non fa la media del flusso di fluido turbolento nel tempo. Al contrario, risolve il flusso di fluido turbolento nel tempo e nello spazio. La maggior parte delle applicazioni del sistema SRS utilizza modelli LES (Large Eddy Simulation) per risolvere i vortici più grandi durante la modellazione dei vortici più piccoli separatamente. 

I modelli LES sono stati migliorati e convalidati nel corso del tempo. Tuttavia, poiché richiedono tempi di risoluzione più lunghi e modelli numerici più grandi, non sono stati utilizzati con la stessa frequenza fino a quando recenti miglioramenti nelle prestazioni del computer sono stati apportati. Rispetto ai modelli RANS, i modelli LES richiedono più celle e tempi di esecuzione più lunghi. L'aumento di capacità di elaborazione, in particolare l'uso di GPU, consente l'uso di modelli SRS per flussi industriali con una varietà di modelli ibridi SRS/RANS, tra cui:

• SAS (Scale-Adaptive Simulation)
• DES (Detached Eddy Simulation)
• SDES (Shielded Detached Eddy Simulation)
• SBES (Stress-Blended Eddy Simulation)
• ELES (Embedded LES)

Dal flusso sanguigno nel corpo al raffreddamento del computer e degli aeroplani che volano nell'aria, il flusso turbolento influisce sul modo in cui i fluidi si muovono all'interno di un sistema e sul modo in cui interagiscono con i solidi che tocca, nonché sulle reazioni chimiche e sul trasferimento di calore. Alcuni progetti sono ottimizzati per mantenere il flusso laminare ed evitare flussi turbolenti. In altre situazioni, il flusso turbolento può essere vantaggioso. Ingegneri e scienziati studiano le dinamiche dei fluidi per comprendere il flusso turbolento in modo da poterlo gestire e tenere conto dei suoi effetti nei progetti. 

Una caratteristica importante del flusso turbolento è che aumenta la miscelazione di un fluido. Questo trasporto di massa aumenta la velocità di diffusione, accelera le reazioni chimiche e aumenta il trasferimento di calore nel fluido e all'interno del fluido. Nella combustione e nel raffreddamento delle turbine a gas, il flusso turbolento viene incoraggiato per ottenere una combustione più efficiente e migliorare il raffreddamento interno all'interno nelle pale delle turbine. Le applicazioni di miscelazione utilizzano anche la turbolenza per accelerare la combinazione di materiali o dissolvere le particelle più velocemente. 

Il flusso sanguigno è un buon esempio di come il flusso turbolento può causare problemi. Le sollecitazioni da taglio causate da vortici nel sangue possono causare trombosi, formazione di coaguli nel sangue che possono bloccare il flusso. Una parte importante del design aerodinamico è la riduzione della resistenza grazie all'utilizzo della turbolenza per ritardare la separazione del flusso, consentendo turbolenza in aree con gradienti di pressione avversi e riducendo la turbolenza dove aumenta la resistenza. Anche vortici di grandi dimensioni causati dalla turbolenza possono creare rumore o esercitare carichi di pressione sulle strutture. Gli ingegneri che progettano edifici e ponti tengono conto del carico di pressione causato da vortici generati nel flusso turbolento del vento attorno alla struttura. 

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