Studio sperimentale e numerico di superfici micro-strutturate per il moto di Taylor-Couette

Abstract

La maggioranza dei moderni studi di fluidodinamica oggi si avvale della compu- tazione elettronica (CFD), una tecnica affidabile nelle grandi scale, ma spesso ap- prossimativa nei dettagli prossimi alla superficie, se non al costo di enormi risorse computazionali. L’attuale ricerca di metodi per ridurre l’attrito con i fluidi e il conse- guente impatto ambientale di ogni trasporto che attraversi aria o acqua ha portato, tuttavia, allo sviluppo di microstrutture geometriche e lavorazioni superficiali che riducono e posticipano fenomeni di turbolenza e transizioni tra regimi di moto in scale di difficile studio in CFD. La caratteristica intrinseca di queste tecnologie, dette riblets, è infatti la dimensione e la complessità della lavorazione superficiale, il che rende sempre più costoso, in termini di risorse computazionali, integrare queste nuove superfici nelle simulazioni computerizzate. Questo studio si propone di trovare teoriche superfici lisce, e quindi più semplici da implementare in CFD, equivalenti a quelle lavorate a riblets in scala micrometrica, e di verificare sperimentalmente la similitudine quantitativa tra una superficie a riblets stampata in 3D e una nuova superficie liscia equivalente. Successivamente, si verifica la posticipazione dei fenomeni di transizione in un fluido in regime di Taylor-Couette e la associata riduzione della resistenza idrodinamica al variare della geometria e dimensione della riblet.

The majority of modern fluid-dynamics studies requires CFD (Computational Fluid Dynamics), a reliable technique on a large scale, but often too unreliable for the small details of the surface, unless at the cost of huge computational resources. However, modern research on passive drag reduction, which is connected to the reduction of the carbon footprint of every transport through a fluid (air, water, or pipeline), has led to microgrooves capable of delaying turbulent flow. The main characteristic of these technologies, named riblets, is the microscopic scale and the complex structure, which makes them very complex and expensive to study with CFD. The aim of this thesis is to find theoretical smooth surfaces that are easier to study in CFD, yet equivalent to the more complex riblet surfaces. The equivalent surface is verified both numerically and experimentally; moreover, the behavior of the Tay- lor–Couette flow with riblet surfaces is reproduced experimentally using 3D-printed microgroove surfaces at different scales and cross-sections.