Il primo modello che prevede con precisione il comportamento del flusso a pellicola sottile
Il flusso a pellicola sottile si riferisce al comportamento di un sottile strato di fluido che si diffonde, ricopre o scorre su una superficie solida e lo si ritrova in una serie di applicazioni che spaziano dalla biomedicina al settore automobilistico. Capire come si sviluppa il flusso a pellicola sottile a livello sperimentale richiede tempo e denaro, quindi si ricorre alla modellazione computazionale. Tuttavia, la complessità delle interazioni del flusso rende questa operazione difficile. «In primo luogo, è difficile misurare gli effetti della tensione all’interfaccia tra fluido e superfici e tra fluido e aria. In secondo luogo, la difficoltà di caratterizzare sperimentalmente le pellicole sottili su piccola scala rende difficile convalidare qualsiasi modello», spiega Pratik Suchde, sperimentatore principale del progetto SURFING, finanziato dalle azioni Marie Skłodowska-Curie e ospitato dalla Università del Lussemburgo. Suchde ha creato un nuovo modello computazionale progettato nello specifico per simulare il flusso a pellicola sottile, la cui presenza è stata dimostrata con successo in scenari industriali del settore automobilistico e alimentare.
Sviluppo del modello
Dopo aver analizzato le ipotesi chiave alla base dei modelli di flusso a pellicola sottile esistenti, Suchde ne ha individuate alcune che ne limitano l’applicabilità. È stato quindi sviluppato un modello su misura che ipotizza una pellicola sottile di fluido composta da più gocce che si raggruppano, la cui distribuzione determina lo spessore della pellicola sottile. Calcolando le forze esercitate su ciascuna goccia, il team è giunto a un’equazione (simile al continuo di Cauchy) utilizzabile come punto di partenza per calcolare il successivo comportamento del flusso del fluido. Il modello è stato suddiviso in tre parti, ognuna delle quali è stata sottoposta a convalida indipendente. La prima è stata convalidata rispetto ai dati sperimentali, la seconda ha utilizzato approssimazioni teoriche, mentre la terza parte è stata convalidata rispetto ai modelli di pellicola sottile esistenti in letteratura. «Infine, l’intero modello è stato convalidato rispetto a simulazioni di flusso di fluidi in massa ad alta intensità di calcolo, stabilendo un punto di riferimento che non dipende da approssimazioni della pellicola sottile. Questo ci ha permesso di capire come funzionano insieme le tre parti convalidate del modello», aggiunge Suchde.
Simulazioni di prova dell’applicazione
Guardando all’industria automobilistica, SURFING era particolarmente interessato alla lubrificazione delle scatole del cambio, dove di solito si usa un liquido a base di olio per ridurre l’usura, l’attrito e il calore generato tra le ruote dentate. Gli attuali modelli a pellicola sottile suppongono in genere la presenza di una pellicola di fluido completamente sviluppata tra i denti dell’ingranaggio, ma in alcune situazioni (come quando si aggiunge il lubrificante dopo che si è del tutto esaurito), è fondamentale modellare anche la formazione dello strato di fluido sottile. Utilizzando i dati forniti dai partner industriali, SURFING è stato in grado di modellare accuratamente questo processo. Il progetto ha preso in considerazione anche l’industria alimentare, in particolare l’uso di fluidi detergenti a getto d’acqua per rimuovere i resti di cibo dai grandi vassoi. Sempre utilizzando i dati di un partner industriale, SURFING ha innanzitutto utilizzato la modellazione del flusso di fluidi in massa per simulare il getto di fluido detergente. Quando il getto simulato colpisce il vassoio, gli algoritmi del modello di questo progetto rilevano automaticamente la formazione della pellicola sottile e passano dalla modellazione del flusso in massa a quella a pellicola sottile. «Il nostro nuovo modello simula questi casi complessi molto più velocemente dei metodi esistenti. È la prima volta che un modello di simulazione di flusso di fluido dimostra una tale adattabilità dinamica», afferma Suchde.
Ottimizzazione dei processi industriali
La modellazione del progetto SURFING potrebbe contribuire a ridurre i cicli di sviluppo industriale, facendo risparmiare i produttori e, da ultimo, anche i consumatori. Il miglioramento della progettazione potrebbe altresì contribuire a ridurre i costi di manutenzione. È probabile che ci siano anche dei benefici ambientali, ad esempio, una maggiore efficienza di pulizia nel settore della lavorazione degli alimenti potrebbe ridurre il consumo di energia, riducendo al minimo i rifiuti. Attualmente, il team sta migliorando le prestazioni della modellazione, continuando a esplorare la gamma di possibili applicazioni commerciali.
Parole chiave
SURFING, fluido, flusso, modello, superficie solida, simulazioni, settore automobilistico, lavorazione degli alimenti
