Correnti gassose all'interno di micro-canali: studio e sviluppo di modelli matematici e simulazioni mediante OpenFOAM

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Antonio Plebani

Questo lavoro di tesi descrive il comportamento dei fluidi all'interno di micro- canali, analizzato attraverso un approccio sia teorico che numerico, mediante l'utilizzo del software CFD OpenFOAM. L'obiettivo ultimo e' quello di fornire un modello matematico che descriva semplicemente e nel miglior modo possibile il moto del fluido all'interno di micro-condotti, quantificando, in particolare, il flusso di massa al variare della geometria del canale, del tipo di gas e della differenza di pressione tra entrata e uscita.

Inizialmente, basandoci sulle misure fatte da diversi istituti metrologici europei, sono stati simulati tutti i casi di interesse; il confronto tra i risultati numerici e le misure sperimentali ha pero' mostrato che la maggior parte non coincidevano tra loro, ed il nostro compito e' diventato quello di cercare una motivazione ed eventuale correzione a questo comportamento.

Pertanto e' stato selezionato il caso del canale all'interno di una lastra di rame creato dall'INRIM, l'istituto metrologico di Torino, e sono state introdotte modifiche geometriche, tra cui un'ostruzione allungata, la quale ha fornito dei risultati accettabili e confrontabili con le misure sperimentali.

Infine sono stati studiati diversi modelli matematici di semplice utilizzo, con lo scopo di calcolare il valore della portata attraverso il micro-canale, senza la necessita' di condurre prove sperimentali o simulazioni CFD. I risultati mostrano che alcuni modelli (ad esempio il modello di Gallis) sono applicabili solo sotto le condizioni di sezione costante e numeri di Mach bassi, e sono correggibili solo introducendo il concetto di diametro efficace moltiplicato per un coefficiente ad hoc. Altri modelli (come il modello idrodinamico) invece hanno un campo di applicabilita' piu' vasto, ma quando la geometria del microcanale non e' nota perfettamente, e' necessario introdurre, anche in questo caso, un coefficiente di taratura.