Analisi numerica della convezione forzata di aria in schiume metalliche

Introduzione

La tecnica della microtomografia, originariamente nata in ambito medico, negli ultimi anni sta prendendo piede anche in diverse aree dell’ingegneria, come ad esempio nella caratterizzazione dei materiali, per ispezioni interne di componenti per il rilevamento di difetti, in metrologia, o in “reverse engineering”. Tale tecnica utilizza raggi X per produrre immagini bidimensionali che possono essere elaborate in modo tale da produrre un’immagine tridimensionale dell’oggetto in considerazione.

Le schiume metalliche sono una promettente classe di materiali cellulari che consistono in una interconnessione di fibre che formano un reticolo di celle casualmente disposte ma globalmente omogenee in forma e dimensione. Sono caratterizzate da due parametri principali: il primo è il numero di pori per pollice lineare (PPI), mentre il secondo è la porosità, ossia il volume occupato dagli spazi interstiziali rispetto al volume totale. Grazie alla loro elevata superficie per unità di volume e alla loro capacità di incrementare la turbolenza e il miscelamento del fluido che vi fluisce, trovano applicazione come superfici estese per scambiatori di calore compatti. Gli approcci tradizionali per modellizzare tali materiali ricorrono a strutture periodiche semplificate, che però non riescono a catturare in dettaglio le reali caratteristiche fluidodinamiche e di scambio termico di tali materiali. In questa ottica si pone il presente studio numerico, che riguarda la simulazione numerica del deflusso di aria attraverso 4 diverse schiume metalliche in rame. La reale struttura di tali provini è stata ottenuta mediante immagini bidimensionali acquisite mediante uno scanner per microtomografia con una risoluzione di 20 micrometri. I risultati numerici relativi al comportamento idraulico e termico sono quindi stati confrontati con risultati sperimentali precedentemente ottenuti sui medesimi provini.

Metodologia

I 4 provini di schiume metalliche originariamente testate, alte 40 mm, aventi 5, 10, 20 e 40 PPI, ed una porosità di 0.93, erano saldobrasate a due piastre anch’esse in rame, ciascuna alta 10 mm. Per trovare un giusto compromesso tra la risoluzione delle scansioni e la dimensione dei provini scansionati, dalle schiume originali sono stati tagliati per elettroerosione dei provini aventi la stessa altezza di quelli originali ma sezione quadrata di lato 15 mm. Tale metodologia di taglio permette di preservare le fibre evitando danneggiamenti delle stesse, che comprometterebbero la simulazione della reale struttura.

L’elaborazione delle immagini bidimensionali al fine di ricostruire la struttura reale tridimensionale è stata effettuata mediante il software Simpleware [1]. 

Cruciale nella fase di ricostruzione è la scelta sulla scala di grigi del valore di soglia per demarcare la zona solida da quella fluida: tale valore è scelto in modo tale che la porosità del provino ricostruito sia pari alla porosità del provino reale. Un esempio di schiuma metallica reale, di immagine ottenuta dalla microtomografia e di schiuma ricostruita, sono mostrati in figura 1.

Modello numerico

Le schiume ricostruite sono l’input per il modulo ScanFE di Simpleware [1], che permette la creazione di mesh che possono essere esportate in Ansys FLUENT [2]. Poiché simulare l’intero volume scansionato richiederebbe importanti risorse di calcolo, per la generazione delle mesh sono stati considerati domini di dimensione inferiore: è stata svolta una analisi di sensitività al fine di trovare il numero ottimale di celle nella direzione del deflusso che garantisse un moto completamente sviluppato. Tale numero ottimale di pori è stato trovato essere pari a 10. Poiché la dimensione di ogni singolo poro diminuisce all’aumentare del numero di pori per pollice, le dimensioni globali dei domini simulati, e quindi il numero di celle della mesh, variano in base al numero di PPI di ogni singolo provino: ne consegue che il dominio della schiuma da 40 PPI, avente celle di diametro medio di 0.635 mm, è composto da circa 3 milioni di celle, mentre quello della 5 PPI, avente celle di diametro medio di 5.08 mm, da 27 milioni di celle.

Come condizioni al contorno per le simulazioni numeriche con Ansys FLUENT [2], è stata imposta una velocità all’ingresso del volume fluido, una velocità di scorrimento nulla e un flusso termico specifico costante all’interfaccia solido-fluido, e condizioni di simmetria sulle facce laterali. Come valori di velocità e di proprietà dell’aria, sono state poste le stesse condizioni delle prove sperimentali precedentemente condotte, in modo tale da permettere un confronto diretto tra i risultati numerici e sperimentali.

Risultati numerici

Il campo di moto e di temperatura all’interno dei domini descritti nel paragrafo precedente è quindi stato risolto mediante l’utilizzo del software Ansys FLUENT [2]. Per ogni provino, sono state eseguite simulazioni in un intervallo di velocità da 2.5 a 5.0 m s^-1, che corrisponde all’intervallo delle prove sperimentali. In queste condizioni di lavoro, le simulazioni numeriche sono state condotte in regime laminare.

La figura 2 riporta un profilo di velocità lungo la direzione del deflusso per una velocità dell’aria all’ingresso di 2.5 m s^-1.

Questa figura è un esempio delle potenzialità di questa tecnica di simulazione: partendo dalle immagini ottenute dalla microtomografia, è possibile simulare la fluidodinamica e lo scambio termico con un alto livello di dettaglio. Come è visibile dalla figura, le fibre creano delle zone d’ombra, a cui corrispondono basse velocità; sono però zone circoscritte di pochi millimetri. La figura 3 completa lo studio della termofluidodinamica a 2.5 m s^-1: in questa figura viene mostrato il corrispettivo profilo di temperatura dell’aria e la distribuzione di temperatura delle fibre per un imposto flusso termico all’interfaccia solido-fluido di 10 kW m^-2.

Le zone d’ombra di figura 2 corrispondono ora a zone a più elevata temperatura. I risultati numerici dei gradienti di pressione sono quindi stati confrontati con i risultati sperimentali, mentre i coefficienti di scambio termico con i valori stimati dalla correlazione di Mancin et al. [3]. Il coefficiente di scambio termico è definito come il rapporto tra il flusso termico specifico imposto e la differenza tra la temperatura media del solido e dell’aria, secondo l’equazione:

                                                                     (1)

dove α_num rappresenta il valore del coefficiente di scambio termico ottenuto dalle simulazioni, q il flusso termico specifico imposto, t_m,wall la temperatura media delle fibre e t_m,air la temperatura media dell’aria.

Il modello numerico risulta in ottimo accordo con i valori sperimentali ed empirici: l’errore relativo medio sul gradiente di pressione è -3.8%, con valori del gradiente di pressione calcolato compresi tra 1237 e 9152 Pa m^-1 [4]. L’errore relativo medio sul coefficiente di scambio termico è 1.6%, con valori del coefficiente di scambio termico calcolato tra 181 e 448 W m^-2 K^-1 [4].

Conclusioni

In questo lavoro è stata studiata la convezione forzata di aria all’interno di schiume metalliche in rame. La reale struttura di tali materiali cellulari è stata ottenuta da scansioni tomografiche bidimensionali su quattro diversi provini di schiume metalliche, aventi 5, 10, 20 e 40 PPI ed una porosità di 0.93, con una risoluzione di 20 micrometri. La ricostruzione e la creazione di mesh è stata effettuata con il software Simpleware [1].

Il comportamento idraulico e termico è stato simulato mediante il software Ansys FLUENT [2].

 Come condizioni al contorno e come proprietà dell’aria sono state impostate le stesse condizioni delle prove sperimentali precedentemente condotte sui medesimi provini, al fine di permettere un confronto diretto tra i risultati numerici e sperimentali. Il tool numerico risulta molto accurato: i gradienti di pressione sono simulati con un errore medio del -3.8%, mentre i coefficienti di scambio termico con un errore medio dell’1.6%.

Bibliografia

Simpleware Ltd, 2012, Exeter, UK.

Ansys FLUENT 13, 2010.

S. Mancin, C. Zilio, A. Diani, L. Rossetto, Air forced convection through metal foams: Experimental results and modeling, Int. J. Heat Mass Transf. 62 (2013) 112-123.

A. Diani, K.K. Bodla, L. Rossetto, S.V. Garimella, Numerical Analysis of Air Flow Through Metal Foams, Energy Procedia 45 (2014) 645-652.

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