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Elisabetta De Angelis

Professoressa associata

Dipartimento di Ingegneria Industriale

Settore scientifico disciplinare: ING-IND/06 FLUIDODINAMICA

Temi di ricerca

Parole chiave: Turbolenza di parete Tecniche multiscala Riduzione di Resistenza Simulazione Numerica Relazioni Costitutive

L'attività privilegia i flussi turbolenti di parete. Un primo ambito si incentra sullo studio della struttura della turbolenza per un fluido Newtoniano. Dati gli elevati numeri di Reynolds nelle applicazioni, per effettuare uno studio numerico è necessario introdurre modelli. Nell'indagine si utilizza dunque la simulazione numerica diretta per mettere a punto modelli LES per flussi di parete. Un secondo ambito riguarda invece lo studio della transizione e della turbolenza per flussi con polimeri. Gli strumenti e gli ambiti sono vari. Un esempio è lo studio del bilancio scala per scala dell'energia cinetica per polimeri flessibili, la cui presenza introduce un termine di flusso che si aggiunge al termine inerziale. L'estensione di questa analisi, già applicata alla turbolenza omogenea e isotropa, ad un caso con pareti può aiutare la comprensione della riduzione di resistenza osservata in questi flussi. Simili tecniche possono essere applicate anche allo studio dei polimeri rigidi.

L'attività di ricerca da me svolta finora si è principalmente mossa nell'ambito dello studio della turbolenza idrodinamica. Lo strumento utilizzato è quello del calcolo numerico ad elevata accuratezza (codici pseudo-spettrali), che ha permesso di affrontare lo studio di argomenti legati alla fisica di base della turbolenza attraverso la Simulazione Numerica Diretta. I problemi affrontati si collocano in vari ambiti tra cui la turbolenza di parete, la turbolenza omogenea e isotropa, la transizione alla turbolenza, la convezione termica e più di recente anche la dinamica dell'interfaccia fra la turbolenza e zone di fluido irrotazionale. La simulazione è stata successivamente seguita dalla messa a punto di opportune tecniche di analisi statistica. Il campo di applicazione è stato prevalentemente quello di flussi reologicamente complessi, in particolare soluzioni diluite di polimeri, per i quali le tecniche su citate hanno consentito di mettere il luce le differenze con i corrispondenti casi Newtoniani. Le metodologie utilizzate e messe a punto hanno però validità generale per lo studio della turbolenza nei fluidi. La motivazione per intraprendere uno studio di questo tipo è ben nota, infatti uno dei fenomeni più singolari che hanno luogo in turbulenza di parete riguarda la riduzione di resistenza prodotta dalla presenza di modestissime quantità di polimeri a catena lunga diluiti in un solvente altrimenti Newtoniano. Muovendosi da questa base di partenza l'attività di ricerca privilegia diversi aspetti dell'indagine di un flusso turbolento di parete che qui sotto cercherà di riassumere. Un primo ambito di ricerca riguarda la turbolenza di parete per un fluido Newtoniano e si colloca nello scenario di una ricerca di più ampio respiro che prende le mosse da una importante iniziativa internazionale di ricerca denominata CICLoPE (Center for International Cooperation on Long Pipe Experiments) che è nata negli ultimi anni e sta diventando operante sulla base di un grande apparato sperimentale localizzato a Predappio con l'obiettivo di compiere un decisivo passo in avanti nella comprensione della turbolenza di parete. L'interesse principale è comprendere la struttura intrinseca della turbolenza di parete, un problema di per se affascinante indipendentemente dalla sua importanza nelle applicazioni e per procedere in questa direzione anche l'uso di codici numerici affidabili sarebbe di grande aiuto. D'altra parte agli elevati numeri di Reynolds che caratterizzano la maggior parte delle applicazioni, è necessario introdurre modelli per la turbolenza, che non possono essere validi se non sono basati su una piena conoscenza della struttura del campo fluidodinamico. L'indagine proposta si sviluppa quindi utilizzando informazioni ottenute dalla simulazione numerica diretta per mettere a punto modelli LES per la turbolenza di parete che siano in grado di preservare le proprietè statistiche del campo fluidodinamico. Questa indagine è svolta in collaborazione con l'Università di Roma. Un secondo ambito di ricerca riguarderà invece lo studio della turbolenza di parete per flussi con addittivi, in particolare di polimeri flessibili e rigidi. In questo tipo di flusso infatti la presenza della microstruttura introduce un termine di flusso che va ad aggiungersi al termine inerziale dovuto alle nonlinearità. L'analisi sulla turbolenza omogenea e isotropa ha mostrato che alle grandi scale il termine inerziale è dominate sul termine dei polimeri mentre a piccole scale la situazione è opposta, ciò consente di individuare una scala di cross-over. L'estensione ad un caso disomogeneo con pareti può essere molto utile per la comprensione della riduzione di resistenza che viene osservata in questi flussi. L'applicazione delle tecniche numeriche messe a punto da me per lo studio della turbolenza con polimeri flessibili verrà poi applicato anche al caso di polimeri rigidi, questo lavoro viene svolto in collaborazione con l'Università Cinese di Hong-Kong e con il Dipartimento di Fisica dell'Università di Roma Tor Vergata. In seguito alla mia permanenza in Galles ho iniziato una collaborazione con l'Imperial College di Londra per lo studio de dinamica multi-scala dell'interfaccia turbolenza/non-turbolenza.

In passato mi sono occupata anche di  fenomeni di trasporto in nano e microcanali con una messa a punto di tecniche multiscala per la simulazione (Molecular Dynamics e Stochastic Rotation).

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