- Numerical Investigation of evaporation and condensation within a tub
- Petronio, Andrea
Subject
- flusso bi-fase, evaporazione e condensazione, film sottile
- SCUOLA DI DOTTORATO DI ENVIRONMENTAL AND INDUSTRIAL FLUID MECHANICS
- ICAR/01 IDRAULICA
Description
- 2009/2010
- L'obiettivo principale del progetto di ricerca sviluppato nella presente tesi di dottorato è quello di comprendere meglio le problematiche riguardanti le prestazioni di asciugatura della lavastoviglie, con speciale riferimento alla modellazione dei fenomeni di evaporazione e condensazione che avvengono nella vasca. Tipicamente l'acqua per il risciacquo finale viene portata ad una temperatura di 70°C che scalda le stoviglie permettendo a queste di immagazzinare energia termica. La lavastoviglie si raffredda dall'esterno, cosicché la vasca risulta essere più fredda dei piatti posti all'interno. In questo contesto l'acqua può evaporare dalle superfici delle stoviglie e condensare sulle pareti della vasca stessa. Il sistema fisico può essere descritto come un flusso in presenza di cambiamenti di fase. Tali tipologia di flussi ha un ruolo cruciale in molti processi naturali e tecnologici, in particolare in quelli in cui si hanno asciugatura o formazione di condensa sulle superfici solide. Tuttavia, pur essendo così comuni nelle applicazioni ingegneristiche, la loro comprensione è lontana dall'essere completa. Il complesso problema fisico può essere suddiviso in tre sotto-problemi: la trasmissione del calore tra il corpo bagnato ed il liquido sulla sua superficie; il trasferimento di calore e massa tra la fase liquida e quella gassosa; il flusso della fase gassosa che risulta essere molto influenzato dalle forze di galleggiamento dovute alle variazioni di densità causate dalla diffusione di temperatura e concentrazione di vapor acqueo. Dallo studio della letteratura risulta che tale problema non sia stato ancora investigato completamente. In particolare non è mai stato proposto un modello adatto a scopi ingegneristici, cioè per problemi di larga scala con geometrie complesse, che consideri l'evoluzione del film liquido durante processi di asciugatura. Questo progetto vuole contribuire allo sviluppo della ricerca in questo settore. Il modello matematico del flusso d'aria in presenza di evaporazione e condensazione è stato implementato numericamente nell'ambiente open-source OpenFoam. Il modello consiste nella formulazione delle equazioni di Navier-Stokes per flussi incomprimibili più le equazioni del trasporto per la temperatura e la concentrazione di vapore. Entrambi gli scalari sono considerati attivi e le variazioni di densità sono state incorporate sotto l'approssimazione di Boussinesq. Si assume inoltre l'approssimazione a film sottile, per cui si è inteso che film liquidi, gocce ed, in genere, le zone bagnate di un solido possano essere considerate come un film liquido continuo. Tale film sottile è stato interpretato come una condizione al contorno per il flusso d'aria, prescrivendo una condizione di Dirichlet per la temperatura e per il vapore. Quest'ultimo all'interfaccia del liquido è considerato in condizione di saturazione. Il calcolo della velocità di evaporazione all'interfaccia, imposta anche come condizione al contorno per il campo di velocità, ha permesso la quantificazione del processo di evaporazione/condensazione consentendo il calcolo della massa d'acqua evaporata/condensata. Il modello numerico è stato validato con i dati di letteratura per poi essere applicato nello studio del flusso su un cilindro bagnato, tra due piani paralleli. In questo lavoro è stato evidenziato l'effetto sul flusso di evaporazione attorno al cilindro delle condizioni alle pareti, considerate come bagnate o asciutte ed adiabatiche. Inoltre è stato valutato anche l'effetto della distanza del cilindro stesso dalle pareti. Successivamente il modello è stato applicato ad una geometria 2D della lavastoviglie. I risultati mostrano che il flusso evolve secondo uno schema preciso: le forze di galleggiamento danno luogo ad un moto convettivo che si alza dalle stoviglie più calde ed umide, che poi scende lungo alle pareti più fredde e meno umide. Un'ulteriore analisi è stata fatta simulando il processo fino all'asciugatura completa di un film uniformemente distribuito su tutte le stoviglie. Negli stadi intermedi del processo è stato osservato che, attorno alle porzioni di stoviglie già asciutte, il galleggiamento risulta essere ridotto e la velocità dell'aria minore, per il mancato rilascio di vapor acqueo. Un passo ulteriore verso la modellazione della lavastoviglie è stato condotto considerando una geometria 3D semplificata per testare il modello e verificare le caratteristiche richieste alla griglia computazionale. Anche per questa configurazione è stato osservato l'instaurarsi del moto convettivo e l'effetto dell'asciugatura sul flusso. Infine si è iniziato a studiare il caso della lavastoviglie 3D. La simulazione è potuta durare pochi secondi fisici, nei quali hanno iniziato a svilupparsi sopra le stoviglie i caratteristici plume. Successivamente delle instabilità numeriche hanno dato luogo a valori di pressione non fisici determinando l'interruzione del programma. Tale comportamento è stato spiegato dalla mancata dissipazione turbolenta nel flusso. L'attivazione del modello LES di Smagorinsky con l'analogia di Reynolds per la determinazione delle diffusività turbolente dei due scalari ha dato luogo ad una soluzione numericamente stabile. Tuttavia la eccessiva viscosità di sotto-griglia ha sovrastimato la diffusione degli scalari, inficiando l'accuratezza della simulazione. Per includere nel modello l'accoppiamento termico che caratterizza il processo di asciugatura è stata scelta la tecnica di decomposizione di domini detta di Dirichlet-Neumann in quanto è risultata essere efficace e semplice da implementare. Essa impone la continuità della temperatura e il bilancio dei flussi di calore attraverso le interfacce. Inoltre è stato proposto un modello opportuno per la distribuzione della temperatura nel film liquido, per riprodurre nella maniera corretta il trasferimento di calore attraverso il film stesso. Ciascuna di queste due parti è stata implementata e testata individualmente cosicché la loro inclusione nel modello potrà avvenire in un successivo sviluppo della presente ricerca. Inoltre è in fase di sviluppo l'implementazione del modello di sotto-griglia LES dinamico lagrangiano che permetterà di superare i limiti riscontrati nel utilizzo del modello di Smagorinsky.
- XXIII Ciclo
- 1980
Date
- 2011-09-21T09:48:27Z
- 2012-06-13T04:01:25Z
- 2011-05-30
Type
- Doctoral Thesis
Format
- application/pdf
Identifier
urn:nbn:it:units-9122