Dissertations / Theses on the topic 'Convezione'

In questo elaborato si costituisce un modello numerico del problema di Darcy-Bénard con l’obiettivo di definire la sua risoluzione mediante il pacchetto software Mathematica 11.1 (© Wolfram, inc.). La struttura della tesi comprenderà, nel capitolo 2, una descrizione delle equazioni fondamentali che governano il moto di un fluido condotta avvalendosi dell’approssimazione di Oberbeck-Boussinesq, inoltre si descriveranno le condizioni al contorno e le condizioni iniziali applicabili ad un generico sistema di equazioni differenziali. Nel capitolo 3 verrà descritto il problema di Darcy-Bénard riferito ad uno strato poroso orizzontale, nonché le caratteristiche generali dei mezzi porosi stessi. Si porrà particolare attenzione al caso in cui le equazioni che descrivono il problema siano considerate non lineari, stazionarie e descritte utilizzando la funzione di corrente, tale scenario costituirà il modello del problema che si cercherà in seguito di risolvere numericamente. Sarà poi necessario, nel capitolo 4, introdurre il metodo degli elementi finiti il quale verrà utilizzato implicitamente dal software di calcolo per discretizzare il dominio del problema in esame e permettere quindi la risoluzione numerica del problema stesso. Il capitolo 5 riguarderà la descrizione della tecnica di implementazione del problema di Darcy-Bénard sul software utilizzato mostrando sia la procedura utilizzata che i risultati ottenuti. Verranno individuate le varie configurazioni a diverso numero di celle convettive che si formano al variare del numero di Rayleigh, si otterrà una correlazione tra il numero di Rayleigh e il numero di Nusselt medio alla parete e, infine, verrà riportato l’andamento dell’energia cinetica, per le configurazioni a diverso numero di celle ottenute. Nel capitolo 6 sarà condotta una analisi dei risultati visualizzati nel capitolo 5 ed il loro confronto con risultati ottenuti nella letteratura attualmente esistente.

L'obiettivo del lavoro è stato quello di valutare l'influenza di fluidi viscoelastici sullo scambio termico in flussi in convezione mista, tramite l'analisi di simulazioni numeriche dirette del campo. Si è osservato che il numero di Nusselt aumenta se il numero di Deborah della soluzione cresce, ma l'incremento della componente di convezione forzata inibisce tale effetto positivo.

In questo testo è riportato un studio degli aspetti termo-fluidodinamici di flussi turbolenti in regime di convezione naturale e mista. La ricerca è stata condotta mediante simulazioni numeriche da principi primi eseguite in un flusso indotto dalle forze di galleggiamento tra due lastre piane e in uno caratterizzato da tre getti a diversa temperatura. I calcoli sono stati eseguiti impiegando una versione modificata del codice open source Incompact3d, dove le modifiche apportate prevedono l'introduzione del termine di galleggiamento secondo le ipotesi di Boussinesq e l'implementazione di una condizione al contorno di deflusso. Assieme alle modifiche apportate al codice vengono presentate le prove atte a validare le modifiche stesse. La prima parte del testo riporta lo studio del moto all'interno della cella di Rayleigh-Bénard considerando diversi fluidi: mercurio (Pr=0.025), aria (Pr=0.7) ed acqua (Pr=7). Invece di variare il numero Prandtl mantenendo costante il numero di Rayleigh, come spesso riscontrato in letteratura, le tre simulazioni vengono eseguite a pari numero di Grashof, Gr=Ra/Pr=5 x 10^7. Questo approccio permette lo studio dell'influenza del numero di Prandtl conservando un rapporto costante tra il termine advettivo e diffusivo nelle equazioni di bilancio della quantità di moto. Attraverso l'analisi delle consuete statistiche e di altre sviluppate appositamente per questo studio vengono caratterizzate le strutture di piccola e grande scala responsabili del trasferimento del calore. In secondo luogo viene analizzata una configurazione composta da tre getti a diversa temperatura che sfociano all'interno di una piscina a forma di parallelepipedo. Oltre all'importanza in ambito di ricerca di base, questo flusso permette di indagare le fluttuazioni di temperatura indotte dal raffreddamento delle barre di combustibile all'interno di reattori nucleari che impiegano un metallo liquido come refrigerante, i cosiddetti ``Liquid Metal Fast Reactors''. Il fenomeno descritto viene chiamato thermal striping e può provocare cedimenti per fatica termica nelle strutture di contenimento. Al fine di analizzare il thermal striping il numero di Prandtl scelto per la simulazione è Pr=0.031, caratteristico della lega eutettica piombo-bismuto a 220° C, una tipica condizione prevista per questo tipo di reattori. Il numero di Reynolds del flusso vale Re=5000 e l'intensità del regime di convezione mista è descritta dal numero Richardson Ri=0.25. I risultati mostrano che i getti si mescolano vigorosamente in prossimità del loro ingresso, mentre più a valle sono uniti in un'unica colonna di fluido, essenzialmente isoterma. In questa regione il flusso mostra alcune delle caratteristiche universali osservate nella configurazione canonica dei getti turbolenti. Inoltre il fenomeno responsabile dell'unione dei getti, il cosiddetto ``effetto Coandă'', viene illustrato in maniera originale attraverso l'analisi dei flussi di quantità di moto. Infine, i campi di viscosità e diffusività termica turbolenta, assieme alla dissipazione di energia cinetica e varianza di temperatura, mostrano andamenti difficilmente riproducibili mediante i tradizionali modelli di turbolenza basati sull'approccio eddy-viscosity. Riassumendo, questo studio fornisce un punto di vista originale sui meccanismi di trasporto del calore in circostanze in cui le forze di galleggiamento non possono essere trascurate, sia in configurazioni caratterizzate dalla presenza di pareti che in configurazioni prive di superfici solide. I risultati riportati potrebbero inoltre essere impiegati per lo sviluppo e la validazione di modelli di turbolenza specifici.
The aim of this work is to investigate turbulent flows and heat transfer phenomena where buoyancy forces are non-negligible. The studies are conducted by means of Direct Numerical Simulations performed in two configurations: a wall-bounded buoyancy-driven flow and a free-shear buoyancy-aided case. Calculations are conducted using a customised version of the open source code Incompact3d, where modifications include the addition of the Boussinesq's buoyancy term in the momentum equations and the implementation of an open outflow boundary condition suitable for buoyant and turbulent flows. In the text each novel implementation is presented together with a validation test. Firstly buoyancy-driven convection is investigated in the Rayleigh-Bénard cell employing different fluids: mercury (Pr=0.025), air (Pr=0.7) and water (Pr=7). Instead of the usual approach, where the Prandtl number is varied in constant-Rayleigh-number conditions, the three simulations are performed at constant Grashof number, Gr=Ra/Pr=5 x 10^7. This procedure allows the study of the Prandtl number influence while maintaining a constant ratio between the advective and diffusive terms in the momentum equations. The analysis of customarily and specifically developed statistics sheds light on the small-scale fluctuations and large-scale motions which are responsible for the energy transfer at different Prandtl numbers. Secondly, a non-canonical configuration which involves three planar jets vertically entering a pool with different temperature is studied. Beside the theoretical interest, this research is motivated by the study of temperature fluctuations induced by fuel rods cooling inside Liquid Metal Fast Reactors (LMFRs), which employ a liquid metal as coolant. This phenomenon is called thermal striping and might induce thermal-fatigue failures in the containment vessels. In order to infer on thermal striping the Prandtl number of Lead-Bismuth Eutectic at 220° C, i.e. a typical envisaged condition in LMFRs, is considered (Pr=0.031). Reynolds number is set to Re=5000 and the mixed convection regime is established at a Richardson number Ri=0.25. Results show that jets undergo an intense mixing close to their inlets, while at distances larger than ten times the jet width they are coalesced in a single and almost isothermal stream. Here the flow displays some of the self-similar properties observed in canonical planar jets. An original formulation of the Coandă effect reveals the mechanism underlying jets coalescence. Finally, fields of turbulent viscosity and diffusivity, as well as kinetic and thermal dissipations, show behaviours which are unlikely to be reproduced by typical eddy-viscosity turbulence models. In summary this study provides an original insight into the physics of turbulent heat transfer in wall-bounded and free-shear configurations where buoyancy forces are non-negligible. Results reported in this text might also be used for the development and validation of turbulence models to be employed in buoyant flows.

Gli alimenti rivestono un’importanza fondamentale nella vita quotidiana degli esseri umani, in quanto ad essi sono legate non solo questioni sulla sopravvivenza fisica del singolo individuo, ma anche culturali e sociologiche. Studiare perciò quello che è il cibo significa studiare indirettamente anche l’uomo, per via del legame indissolubile che nei millenni è stato stabilito tra le due parti. La branca dell’ingegneria che si occupa della descrizione dei fenomeni fisici che avvengono durante la cottura degli alimenti è attiva da oltre trenta anni. In questo lasso di tempo sono svariati i processi alimentari che sono stati analizzati mediante la costruzione di modelli matematici di diversa complessità. L’utilizzo di tali modelli può essere un importante strumento a disposizione dell’industria alimentare per ridurre il numero di esperimenti effettuati, abbattendo perciò gli sprechi di tempo e di denaro. Scopo dell'elaborato è quello di riassumere gli studi sui processi di cottura dei tessuti muscolari animali nei forni domestici a convezione, esponendo nel primo capitolo le modalità di trasmissione del calore, passando poi nel secondo ad argomenti più strettamente legati a ciò che avviene alla carne animale con l’esposizione al calore e al ruolo che i modelli rivestono all'interno dell'industria alimentare, concentrandosi in particolare sui fenomeni di trasporto di massa (sia diffusivi sia nei mezzi porosi) e sugli effetti del calore sulle proteine animali. Il terzo capitolo è stato sviluppato presentando modelli reperiti in letteratura in cui ognuno rappresenta il superamento del precedente, partendo da studi in cui viene utilizzata solamente l’equazione del calore e giungendo a modelli più complessi in cui il trasporto di acqua nella carne deve essere descritto attraverso la legge di Darcy per i mezzi porosi, chiamando in causa anche la teoria di Flory-Rehner, già utilizzata nell’ingegneria chimica per studiare il comportamento di alcuni polimeri.

Nel corso di tale trattazione verranno descritti i principali meccanismi di trasporto dell'energia negli interni e nelle atmosfere stellari, quali conduzione elettronica, trasporto radiativo e trasporto convettivo, discutendo le diverse condizioni in cui si verificano e le relative implicazioni.

La comprensione dei meccanismi di trasporto dell'energia è un punto cruciale per avere una visione completa del mondo astrofisico. Dall'energia siamo in grado di definire tutto ciò che ci circonda e capire i meccanismi dietro al trasporto di essa è fondamentale. In questo elaborato verrano dunque analizzati tutti i processi che permettono all'energia di essere trasportata nei vari strati della stella. Nel primo capitolo verrà dettagliatamente descritto il trasporto convettivo, definendone le equazioni principali, i criteri per poterlo attuare ma anche gli aspetti tutt'ora irrisolti. Nei successivi capitoli saranno invece analizzati il trasporto conduttivo, essenziale per la vita delle nane bianche, ed il trasporto radiativo, partendo dagli interni stellari fino ad arrivare allo strato più esterno della stella: l'atmosfera.

Un campo termico uniforme nel volume del forno permette una cottura omogenea indipendentemente dalla posizione del cibo. Quindi la valutazione, lo studio e la simulazione del campo termico diventano fondamentali per determinare l'efficienza del forno. Scopo del presente elaborato è un’analisi CFD per simulare la convezione naturale all’interno di un forno domestico da 45litri. Per effettuare questa analisi CFD si è usato il software commerciale STARCCM+ che permette di generare griglie di calcolo e visualizzare i risultati della simulazione.Nel primo capitolo verrà esposto lo stato dell'arte relativo ai processi base che caratterizzano la fluidodinamica dei forni secondo la letteratura scientifica.Nel secondo capitolo si passa ad un’esposizione più rigorosa delle equazioni che governano la dinamica dei fluidi, soffermandosi con particolare riferimento alla dinamica della turbolenza in quanto è uno dei fenomeni più comuni che osserviamo nella nostra esperienza quotidiana. Come si potrà osservare non è facilmente percorribile una soluzione analitica delle equazioni esposte per cui nel terzo capitolo si è esposta la teoria che sta dietro una risoluzione numerica di un problema alle derivate parziali con particolare riferimento al metodo dei volumi finiti per la discretizzazione delle equazioni. Nel quarto capitolo viene mostrato il processo di simulazione numerica sulla geometria del forno, tale processo vede in primo luogo la discretizzazione del dominio attraverso una griglia computazionale con particolare attenzione a quelli che sono i parametri che descrivono la qualità della griglia. Viene generata una griglia poliedrica con procedura semiautomatica di raffinamento. Sempre nel quarto capitolo si illustrano i risultati ottenuti a seguito della simulazione con opportune figure e tramite operazioni di post-processing si evidenzierà il comportamento termico del forno, confrontando varie configurazioni, al fine di ottenere l'uniformità all'interno del forno.

Il problema della propagazione dell’energia è uno dei concetti chiave dell’astrofisica. Per poter osservare un oggetto celeste è necessario che generi energia e che quest’ultima venga trasportata nello spazio libero fino alla superficie terrestre. Le principali fonti di questa energia sono le reazioni termonucleari che si innescano nel core delle stelle. L’energia che qui si libera, a seconda della struttura del nucleo e del gradiente di temperatura, viene trasportata da regioni calde a regioni più fredde attraverso movimenti termici di fotoni o particelle di gas e movimenti collettivi delle particelle del gas. Nel primo capitolo verranno riportati quali sono i principali cicli termonucleari di produzione dell’energia. Nei capitoli successivi invece, dopo aver ricavato l’equazione generale del trasporto dell’energia, verranno trattati in modo approfondito il trasporto radiativo dell’energia all’interno delle stelle, il trasporto convettivo ed infine il trasporto conduttivo da parte degli elettroni.

Il lavoro svolto ha come scopo l’implementazione e la validazione di un modello di cambiamento di fase mediante l’utilizzo del codice commerciale Comsol Multiphysics, che permette la modellazione e la risoluzione di equazioni matematiche che governano ambienti multifisici. La validazione dei modelli sviluppati è stata effettuata mediante confronto sia con soluzioni analitiche di riferimento, sia con soluzioni numeriche ottenute utilizzando il codice commerciale ProCAST, sviluppato appositamente per simulazioni di processi fusori I problemi analizzati hanno riguardato lo scambio termico sia in regime di sola conduzione, sia in presenza di convezione naturale all’interno di un materiale in cambiamento di fase solido-liquido. È stato considerato sia il caso di sostanze pure, quindi con un’unica temperatura di cambiamento di fase, sia il caso di leghe metalliche, la cui transizione di fase avviene in un intervallo di temperatura.

The improvement of knowledge and understanding of the West African Monsoon (WAM) is a fundamental scientific issue with implications on economy, health, water resources and food security in West African countries. In a region where agriculture is mainly rain fed, a delay in the rainy season onset or a dry year could compromise food and water security and lead to dearth conditions. The natural interannual and interseasonal variability of the WAM and the dramatic change from wet conditions (1950s-1960s) to much drier ones (1960s-today) over West Africa represents one of the world strongest variation in the 20th century. Mesoscale convective systems (MCS) are responsible for the 80% of the rain production in the sub- Saharan region during the rainy season (June-September), playing a key role in the rainfall variability over a large domain of spatial and temporal scales. The annual variability of MCSs in West Africa is driven by monsoon circulation, which provides favourable conditions for convection formation in the Sahelian area. An increase in the vulnerability of West African societies to climate variability is expected for the next decades as demands on resources increase in association with growing population and for those reasons predictions at various scales of the WAM is a key issue for West African countries. Further motivation comes from the need to quantify the role of the WAM on the global climate. Africa is one of the largest and less known sources of dust and aerosols, which plays a major role in radiative forcing and in cloud microphysics. Furthermore Africa emits the largest amount of biomass burning emissions with a strong interhemispheric transition between West Africa in boreal winter to Central and Southern Africa in boreal summer following the location of the dry season in each hemisphere. Moreover emissions due to urban pollution of large African cities are poorly known due to a lack of in-situ measurements. Satellite observations indicates that large areas in West Africa appear to be characterized by industrial activity, traffic, biomass burning from house fires that can have a great impact on air quality and possibly damage vegetation growth and agricultural production. In this work we have approached three issues: (1) how mesoscale models describe the dynamics of MCS (2) how to improve them in order to improve water cycle, precipitation and deep convection analysis and (3) which dynamical mechanisms drive the chemical composition of the atmosphere in Africa Firstly, the ability of the mesoscale meteorological model BOLAM (BOlogna Limited Area Model) in reproducing convection in West Africa has been tested against other meteorological models and rainfall measurements. Models performed simulations of the propagation of a MCS observed to cross part of West Africa in August 2005. An evaluation of precipitation simulated by mesoscale models is carried out. It has been found that the BOLAM model is capable to reproduce the structure and the associated precipitation of the observed squall line even if it overestimates precipitation amount with respect to the reference satellite estimations and produces a eastward shifted rain band. The models intercomparison showed that convective precipitation forecast in West Africa is a difficult issue to be addressed. To address this issue we have developed and implemented into the BOLAM model a nudging scheme based on the use of satellite observations of cloud top brightness temperature to correct the model humidity profiles. The nudging approach is based on the continuous assimilation of METEOSAT infrared brightness temperatures within the model in order to trigger convection, where observations show the presence of large convective systems. The nudging also inhibits convection, when the model reproduces unrealistic convective precipitation and coherently modifies the dynamical fields. It is shown that the assimilation scheme improves the geographical distribution and time evolution of the MCSs reproduced by the model; the impact of assimilation is positive up to 13 hours after the end of the nudging period. It is also shown that the nudging improves the simulated amount and spatial distribution of precipitation. In order to upscale the results obtained on a single event, we performed a seasonal mesoscale simulation covering west Africa during the whole monsoon season. Therein the nudging scheme is used throughout the period to obtain a reanalysis for the June-August 2006 period. The assimilation of cloud top brightness temperature greatly improves the spatial patterns and the amount of rainfall generated by the BOLAM model over a seasonal time-scale. The last issue studied in the present work regards the transport of pollutants and greenhouse gases in the African continent. We used BOLAM mesoscale model simulations, nudged with infrared radiance temperature, to estimate the convective impact in the upper troposphere and to assess the fraction of air processed by convection. Comparison between simulated convective transport and aircraft measurements shows that BOLAM model correctly reproduces the location and the vertical structure of convective outflow. Model-aided analysis indicates that convection can influence the composition of the upper troposphere above the level of main outflow for an event of deep convection close to the observation site and that deep convection occurring in the central Sahelian region has a likely role in convective transport in the upper troposphere. Then we focused on the long-range transport of biomass burning gases out of West Africa, which has been recognised to have important implications for the global oxidizing capacity of the atmosphere and global climate change. Mid and upper-tropospheric pollutant plumes with enhanced levels of trace gases and aerosols were observed over the southern coast of West Africa during August 2006 as part of the AMMA wet season field campaign. Runs using the BOLAM mesoscale model including biomass burning CO tracers were used to confirm an origin from central African fires. Modelled tracer results showed that pollutants resided for between 9 and 12 days over Central Africa before being transported for 4 days, in the case of the mid-troposphere plume, and 2 days in the case of the upper tropospheric plume to the measurement location over the southern part of West Africa.

L'energia nell'universo può essere veicolata verso la Terra in molteplici modi, i quali dipendono soprattutto dal tipo di sorgente e in che ambiente essa si trova. L’elaborato ha come obiettivo quello di esporre sinteticamente i processi che permettono di trasportare l'energia sia negli interni delle stelle, sia nello spazio tramite neutrini. I meccanismi di trasporto nelle stelle sono fondamentali durante il loro ciclo vitale e permettono di conoscere le caratteristiche macroscopiche e chimiche dell'ambiente interno. Il primo capitolo illustra brevemente il modo in cui viene prodotta l'energia nei nuclei delle stelle, soffermandosi su quelle che sono le reazioni chimiche fondamentali di fusione che permettono l'emissione di energia. Nel secondo capitolo vengono invece sviluppati i processi in grado di trasportare questa energia verso la superficie, ovvero il trasporto radiativo, conduttivo e convettivo. L'ultimo capitolo si focalizza sul trasporto di energia tramite neutrini, particelle che raramente interagiscono con la materia e che quindi possono giungere facilmente sulla Terra. Le stelle sono tra le fonti principali di neutrini, i quali, in casi particolari, possono rappresentare grosse perdite di energia per gli interni stellari. La maggior parte di quelli che vengono rilevati sulla Terra sono però prodotti direttamente nella sua atmosfera tramite l'interazione con i raggi cosmici, particelle ad alte energie provenienti dallo spazio. Concludendo, l'elaborato non racchiude, per ovvi motivi, ogni tipo di meccanismo di trasporto esistente nell'universo, ma tratta i meccanismi che caratterizzano i suoi elementi primi, ovvero le stelle, allargandosi poi alla trattazione dei neutrini, i quali fanno da ponte tra le stelle e l'intero cosmo.

L’elaborato si propone di trattare i principali meccanismi di trasporto dell’energia in astrofisica, con particolare attenzione all’ambiente stellare. Vengono, infatti, descritti il meccanismo radiativo, conduttivo e convettivo con i relativi portatori di energia e le condizioni nelle quali possono agire. L’argomento viene introdotto con un primo capitolo nel quale si cerca di fornire i concetti fondamentali per comprendere i meccanismi di produzione dell’energia negli interni stellari. Segue poi, nel secondo capitolo, la trattazione dettagliata dei tre meccanismi di trasporto dell’energia con particolare attenzione rivolta a quello radiativo e quello convettivo, dato che il meccanismo conduttivo è molto spesso trascurabile tranne in caso di gas degenere. Infine, con una modifica dell’ambiente di studio, viene dato un rapido accenno al trasporto dell’energia nell’atmosfera terrestre con una breve descrizione del bilancio radiativo-convettivo presente.

Lo scopo di questa tesi è quello di ottenere una rappresentazione grafica del profilo di velocità di un fluido all’interno di un condotto. In particolare si studieranno le equazioni di bilancio facendo alcune ipotesi semplificative riguardo il moto del fluido. Si considererà un moto laminare in condizione di completo sviluppo dinamico e convezione forzata. Grazie a queste ipotesi si riuscirà ad ottenere un’equazione semplificata di Navier-Stokes, che permetterà di calcolare l’andamento della velocità all’interno di condotti con qualsiasi forma della sezione. In questo caso si confronterà il profilo di velocità di un condotto a sezione circolare con uno a sezione circolare forata come in uno scambiatore di calore a tubi concentrici. Per risolvere l’equazione di Navier-Stokes e stampare l’andamento delle velocità all’interno della sezione del condotto si è utilizzato il software “Mathematica”, che è stato appreso durante l’attività di tirocinio curriculare. Questo software offre un supporto notevole allo studio matematico di qualsiasi problema. Permette inoltre di avere un riscontro grafico dei risultati ottenuti, direttamente nell’interfaccia utilizzata per la stesura del codice. Per rappresentare il profilo di velocità sarà inoltre utilizzato il metodo degli elementi finiti all’interno di Mathematica, che permetterà di ottenere una soluzione più uniforme e vicina alla realtà. Il metodo degli elementi finiti (FEM) permette di semplificare lo studio del moto di un fluido, in quanto ci dà la possibilità di avere un sistema di equazioni algebriche che ne descrivono il moto, invece di equazioni differenziali e le sue relative condizioni al contorno. Sarà quindi brevemente descritto questo metodo che è stato di grande aiuto tramite l’implementazione della “mesh” su Mathematica.

I meccanismi di trasporto di energia nell’universo sono un argomento di fondamentale importanza per ricavare più informazioni possibili riguardo i corpi celesti in cui si origina l’energia. I principali meccanismi di trasporto presenti negli interni stellari sono tre: radiazione, convezione e conduzione (quest’ultimo generalmente trascurabile). Studiando il gradiente di temperatura si potrà comprendere quale meccanismo di trasporto domina sugli altri in una determinata regione stellare. Ad esempio, si possono fare distinzioni importanti tra stelle in base alla loro massa: infatti in stelle massicce è presente una struttura stellare dove nel nucleo dominano i moti convettivi e nell’involucro dominano quelli radiativi, mentre in stelle leggere accade il contrario. Nel principale capitolo del seguente elaborato vengono descritti in maniera sintetica ma esaustiva i tre meccanismi di trasporto appena citati, ricavando le equazioni del flusso di ogni meccanismo, soffermandosi sui criteri che rendono un meccanismo più efficiente di un altro, differenziando i casi di interno stellare ed atmosfera stellare e analizzando i fattori che causano i vari tipi di trasporto e alcune loro conseguenze. Nel capitolo finale viene studiato sinteticamente il trasporto d’energia tramite neutrini, analizzando il caso di neutrini prodotti dalle stelle e il caso di neutrini originati dai raggi cosmici che interagiscono con l’atmosfera terrestre. Questa trattazione è limitata per ovvi motivi di lunghezza dell’elaborato e complessità di alcuni argomenti, ma è una sintesi che racchiude le principali caratteristiche, concetti ed equazioni riguardo questo fondamentale argomento.

Il trasporto dell'energia in astrofisica avviene principalmente in tre modi differenti: irraggiamento, conduzione e convezione. La stella è il sistema più completo per studiare come questi processi si compongano per dare origine alla radiazione osservata dalla Terra. Sono importanti parametri come l'opacità, la profondita ottica il gradiente di temperatura e di pressione per una trattazione completa dei meccanismi. Quello che si misura è l'intensità della radiazione in funzione della sua energia, ovvero si studia lo spettro della stella.

Il presente documento descrive il lavoro di ricerca effettuato relativamente alla convezione naturale in una cavità quadrata in presenza di un ostacolo verticale posizionato internamente. Il fluido analizzato è aria in condizioni di flusso laminare e stazionario; le pareti laterali della cavità sono raffreddate e riscaldate attraverso degli scambiatori a piastre. Gli effetti della posizione e dell’altezza dell’ostacolo, valutate a diversi angoli di inclinazione della cavità sono stati studiati attraverso prove sperimentali (PIV) e indagine numerica (CFD) e valutati per mezzo di mappe scalari di velocità, temperatura e line di flusso. I risultati sperimentali hanno mostrato come lo schema del flusso convettivo, caratterizzato da un vortice principale e uno secondario, rimanga sostanzialmente invariato nell’intero campo di Ra e per tutte le configurazioni considerate; solamente per angoli di inclinazione prossimi a π/2 il flusso si divide in quattro differenti vortici. I risultati del modello numerico mostrano un ridotto scostamento rispetto all’analisi sperimentale e permettono di individuare l’importanza dello scambio termico radiativo sulle configurazioni analizzate. La presenza dell’ostacolo e la variazione dell’angolo di inclinazione della cavità influenzano notevolmente l’intero campo di temperatura; tuttavia l’altezza dell’ostacolo ha un effetto maggiore sullo scambio termico attraverso le superfici della cavità rispetto alla posizione dello stesso.
In this work, natural convection in a square cavity with an internal vertical obstacle and differentially heated from the side has been studied. Air is the working fluid and the divider is large, poorly conducting and located on the floor of the enclosure. Three divider position and four divider heights (or aperture ratio Ap) are considered. The effect of the direction of the gravity vector is also investigated for a certain number of inclination angle. PIV (Particle Image Velocimetry) system has been used to measure the flow field within the cavity; contour velocity maps and streamlines has been extracted. Was found that for all the configurations and for the entire field of Ra analyzed, the flow pattern remains the same. However, increasing the tilting angle, the flow pattern within the cavity considerably changes and four different vortices can be seen for θ = π/2 . Experimental results have been compared with numerical data, obtained through CFD simulation: both pure convective and combined convective-radiative models have been adopted to predict the flow and thermal field. A very good agreement between experimental and numerical results was found, especially for the radiative model when Ap ≥ 2/5. Numerical isotherms and calculated Nusselt number value along the hot wall have been reported to evaluate the heat exchange. Results show that the inclination angle and the presence of the obstacle affected the thermal field within the cavity; divider height had a stronger effect on the enclosure heat transfer than the baffle position.

In questo elaborato viene presentato uno studio focalizzato sull’ottimizzazione della geometria dei microcanali di sezione triangolare di un dissipatore di calore, con lo scopo di fornire alcuni strumenti direttamente utilizzabili per la progettazione di tali dispositivi. Dopo una prima fase di analisi dal punto di vista fisico, il modello è stato applicato a casi concreti. L’analisi è stata fatta sia per un microcanale attraversato da un fluido liquido, sia per un microcanale attraversato da un fluido gassoso; per quest’ultimo caso è stato approfondito l’effetto della rarefazione del gas sulle prestazioni del canale. In entrambi i casi è risultato che per la funzione obiettivo non esiste una singola configurazione ottimale valida per tutte le restrizioni geometriche e per tutti i criteri PEC. Come strumenti direttamente utilizzabili nella progettazione vengono forniti i valori di Nu e di fRe, le relazioni operative, i grafici delle funzioni obiettivo, gli script Matlab per il calcolo di tali funzioni per i PEC utilizzati.

Lo studio della convezione naturale in cavità quadrata con sorgenti discrete è svolto sia sperimentalmente che numericamente. Sperimentalmente attraverso l'interferometria olografica e il Particle Image Velocimetry mentre numericamente attraverso l'utilizzo del software CFD ANSYS Fluent. Sono presentati 7 diversi studi di configurazioni della cavità dove vengono esaminati gli effetti sulla trasmissione di calore della dimensione delle sorgenti, dell'aspect ratio, della presenza di uno o due ostacoli orizzontali o verticali di diversa lunghezza e della presenza di una quinta sorgente al centro della cavità. I risultati ottenuti dalle prove sperimentali e numeriche sono stati analizzati e confrontati nella forma di isoterme, streamlines, velocity maps e numero di Nusselt per numeri di Rayleigh da 2∙103 a 5∙105. E' stato studiata e sviluppata una correlazione tra il numero di Nusselt medio e il numero di Rayleigh per ogni configurazione. I risultati evidenziano le influenze delle modifiche apportate alla cavità sulla convezione naturale. L'applicazione industriale della cavità stabilirà poi la scelta dei parametri di progetto: se il progetto necessita di uno scambio termico maggiore, dovranno essere scelte le proporzioni e la ripartizione delle fonti di calore in modo appropriato, riducendo o eliminando la presenza di ostacoli nella cavità in modo di avere un maggiore scambio termico.
Natural convection in a square cavity with discrete heat sources is studied both experimentally and numerically. The results are presented for Rayleigh numbers from 2∙103 to 5∙105. The experimental techniques employed are Holographic Interferometry and Particle Image Velocimetry. ANSYS Fluent is the CFD software chosen for the numerical analysis. The case studies performed examine how heat transfer in the cavity is affected by modifying its characteristics. Case study 1 tests the influence of the heat sources’ size on heat transfer. The influence of cavity aspect ratio and presence of a baffle is studied in case study 2. Case Study 3 explores the effect baffle length has on natural convection in an enclosure. The effect of the length of a pair of horizontal baffles on natural convection is tested in case study 4. Case study 5 examines the effect the height of a pair of vertical baffles has on natural convective heat transfer in a cavity. The final case studies introduce a fifth heat source on the bottom cavity wall of a cavity with four heat sources. In case study 6, the effect of the position of the fifth heat source on natural convection in the cavity is analyzed. In case study 7, the effect of two heating configurations on heat transfer is evaluated. The results obtained from the experimental and numerical tests in the form of isotherms, streamlines, velocity maps and average Nusselt numbers are analyzed and compared. A correlation between the average Nusselt and Rayleigh numbers for each configuration was studied and developed. The results showed that the characteristics altered in the case studies presented, modify heat transfer inside an enclosure. The intended application of the cavity will establish the choice of its design parameters: if natural convection is to be maximized, the aspect ratio and allocation of the heat sources will be chosen so as to have a greater temperature and fluid flow, reducing or eliminating the presence of baffles in the enclosure.

Heat dissipation is one of the most important issues for the reliability of electronics equipment. Up today, air represents the most safe, cheap, and common working fluid for electronics thermal management applications. Due to its poor heat transfer characteristics, air always flow through enhanced surfaces, such as plain and louvered fins, pin fins, offset strip fins and wire screens, in order to increase the heat transfer area and to create turbulence. Recently, metal foams have been proposed as promising enhanced surfaces to improve the overall heat transfer performance of the cooling system. In several applications air might be not enough for high level of heat dissipation, thus two-phase systems can represent a viable solution. Boiling is the heat transfer mechanism with the highest heat transfer coefficients, thus it can be used to spread high heat fluxes to maintain the wall temperature at low values with compact heat sinks. Microstructured surfaces, such as metal foams and microfin tubes, can exploit positive benefits on the flow boiling mechanism, i.e. they can promote bubble nucleation, reduce onset of nucleate boiling, augment two-phase mixing, enhance critical heat flux. On the other hand, the environmental issues associated to the use of synthetic refrigerants call for a continuous improvement of the technical solutions. Recently, new low-GWP refrigerants, in particular R1234ze(E) and R1234yf, have been proposed as possible alternatives of the traditional R134a. This PhD thesis explores the use of microstructured surfaces for thermal management applications. Metal foams, plain finned and pin finned surfaces are experimentally and numerically investigated during air forced convection. In addition, single- and two-phase flow (vaporization) of refrigerants through a copper foam and in a microfin tube is experimentally studied. The first chapter is focused on the air forced convection through metal foams. Nine copper foams are experimentally tested, and the overall heat transfer coefficients and pressure drops are calculated from the experimental measurements. The effects of the geometrical parameters (foam core height, pore density, and porosity) on the thermal and hydraulic behaviour of such materials are discussed. The experimental data points, coupled with other measurements previously obtained on aluminum foams, have permitted the development of a new semi-empirical equation for the estimation of the foam finned surface efficiency and of the heat transfer coefficient. The air forced convection through plain finned and pin fin surfaces is discussed in the second chapter. Numerical simulations are performed on different geometrical configurations of fin thickness, pitch, and height for the plain finned surfaces, and different configurations of pin diameter, longitudinal and transverse pin pitch, and pin height for the pin fin surfaces. The effects of the geometrical characteristics on the thermal and hydraulic behaviour are reported. From the numerical results, four correlations have been developed for the estimation of the Colburn j-factor and friction factor for plain finned and pin fin surfaces. In the end, an optimization of a plain finned surface is reported. The third chapter proposes a numerical approach to study the air forced convection through metal foams. The real structure of four copper foams, whose experimental results are reported in the first chapter, is obtained by micro-computed tomography scanned images. Once reconstructed, the real foams are meshed and the air flow simulated with a commercial software. Numerical results of pressure drop and heat transfer coefficient are compared against the experimental values. The design and development of a new experimental facility to study the phenomenon of the flow boiling inside microstructured surfaces is reported in the fourth chapter. The numerical design of the test section, which hosts a 200 mm long metal foam, is presented. Every component of the set up is discussed in details. The results of the calibration tests are reported. The flow boiling of refrigerants inside a metal foam is shown in the fifth chapter. The tested copper foam is 200 mm long, 10 mm wide, and 5 mm high. Three different refrigerants are studied: R134a, R1234ze(E), and R1234yf. R1234ze(E) and R1234yf (GWP=6 and 4, respectively) are possible substitutes of R134a (GWP=1400). Tests are run at a saturation temperature of 30 °C, which can be considered suitable for the case of electronic cooling applications, at different working conditions, in order to highlight the effects of the vapour quality, mass velocity, and heat flux on the thermal and hydraulic performance. Finally, the sixth chapter reports some results about the flow boiling of refrigerants inside a 3.4 ID microfin tube. Three different refrigerants are studied: R134a, R1234ze(E), and R1234yf. As for the case of flow boiling inside a metal foam, tests are run at a saturation temperature of 30 °C under different working conditions, i.e. different vapour quality, mass velocity, and heat flux. The experimental results of heat transfer coefficient, vapour quality at the onset of the dryout, and pressure drop are compared against values predicted by correlations from the open literature
Lo smaltimento di calore è uno degli aspetti più importanti per l’affidibilità di componenti elettronici. Ad oggi, l’aria è il più sicuro, economico e utilizzato fluido operativo in applicazioni di raffreddamento di componentistica elettronica. A causa delle sue scarse qualità di scambio termico, l’aria fluisce attraverso superficie estese, come alette piane, cilindriche e louvered, “offset strip fins” e “wire screens”, per aumentare la superficie di scambio termico e per creare turbolenza. Recentemente, le schiume metalliche sono state proposte come promettenti superfici estese per incrementare le prestazioni termiche del sistema di raffreddamento. Tuttavia, l’aria potrebbe non essere sufficiente nel caso in cui i flussi termici da asportare siano particolarmente alti e pertanto i sistemi bifase possono essere una soluzione attuabile. La vaporizzazione è il meccanismo di scambio termico con i maggiori coefficienti di scambio termico, pertanto può essere usato per dissipare elevati flussi termico e mantenere la temperatura di parete del dissipatore entro limiti che siano compatibili con quelli delle apparecchiature elettroniche. Superfici microstrutturate, come schiume metalliche e tubi microalettati, possono avere benefici nella vaporizzazione, cioè possono incrementare i siti di nucleazione delle bolle, anticipare l’ebollizione nucleata, aumentare il miscelamento tra la fase liquida e vapore, aumentare il flusso termico critico. Importanti sono anche gli aspetti ambientali associati a refrigeranti sintetici, situazione che richiede un miglioramento delle soluzioni tecniche attualmente impiegate. Recentemente, nuovi refrigeranti a basso impatto ambientale, in particolare l’R1234ze(E) e l’R1234yf, sono stati proposti come alternative al tradizionale R134a. Questa tesi di dottorato esplora l’uso di superfici microstrutturate in sistemi di raffreddamento. Sono state studiate sperimentalmente e numericamente schiume metalliche, alette piane e cilindriche durante la convezione forzata di aria. Inoltre,è stato sperimentalmente studiato il deflusso monofase e bifase (vaporizzazione) di refrigeranti in una schiuma metallica in rame e all’interno di un tubo microalettato. Il primo capitolo si focalizza sulla convezione forzata di aria attraverso schiume metalliche. Nove schiume in rame sono sperimentalmente studiate e dalle misure sperimentali vengono calcolati i coefficienti globali di scambio termico e le perdite di carico. Vengono discussi gli effetti dei parametri geometrici (altezza della schiuma, densità di pori e porosità) sul comportamento termico e idraulico di tali materiali. I punti sperimentali raccolti, insieme ad altre misure sperimentali precedentemente ottenute su schiume in alluminio, hanno permesso lo sviluppo di una correlazione per la stima dell’efficienza e del coefficiente di scambio termico. La convezione forzata di aria attraverso alette piane e cilindriche è discussa nel secondo capitolo. Sono state condotte simulazioni numeriche su differenti configurazioni geometriche di spessore, passo e altezze delle alette nel caso di alette piane, e di diametro, passo longitudinale e trasversale e altezza nel caso di alette cilindriche. Vengono riportati gli effetti delle caratteristiche geometriche sul comportamento termico e idraulico. Dai risultati numerici, sono state sviluppate quattro correlazioni per la stima del fattore j di Colburn e del fattore f di attrito per alette piane e cilindriche. Infine, è riportato un esempio di ottimizzazione di una superficie con alette piane. Il terzo capitolo propone un approccio numerico alla modellizazione della convezione forzata di aria in schiume metalliche. La reale struttura di quattro schiume in rame, i cui risultati sperimentali sono riportati nel primo capitolo, è ottenuta mediante immagini ottenute con la tecnica della microtomografia. Il deflusso di aria è quindi simulato con un software commerciale. I risultati numerici sulle perdite di carico e sui coefficienti di scambio termico sono quindi confrontati con i risultati sperimentali. Il dimensionamento e lo sviluppo di un nuovo impianto sperimentale per lo studio del fenomeno della vaporizzazione in superfici microstrutturate è riportato nel quarto capitolo. Viene presentato lo sviluppo mediante un codice numerico della sezione di prove, che alloggerà una schiuma metallica lunga 200 mm. Ogni componente dell’impianto è discusso in dettaglio. Infine vengono riportati i risultati della calibrazione dell’impianto. I risultati relativi alla vaporizzazione di refrigeranti all’interno di una schiumametallica sono presentati nel quinto capitolo. La schiuma metallica in rame è lunga 200 mm, larga 10 mm e alta 5 mm. Tre diversi refrigeranti sono studiati: R134a, R1234ze(E), and R1234yf. L’R1234ze(E) e l’R1234yf (GWP=6 e 4, rispettivamente) sono possibili sostituti dell’R134a (GWP=1400). Le prove sperimentali sono state condotte ad una temperatura di saturazione di 30 °C, che è un valore idoneo al caso di raffreddamento di componenti elettronici, in diverse condizioni operative, al fine di evidenziare gli effetti del titolo di vapore, della portata specifica e del flusso termico sulle performance termiche ed idrauliche. Nel sesto ed ultimo capitolo vengono riportati alcuni risultati sulla vaporizzazione di refrigeranti all’interno di tubo microalettato avente un diametro interno di 3.4 mm. Tre diversi refrigeranti sono studiati: R134a, R1234ze(E), and R1234yf. Come nel caso precedente, le prove sono state condotte ad una temperatura di saturazione di 30 °C in diverse condizioni operative, cioè a diverso titolo di vapore, portata specifica e flusso termico. I risultati sperimentali del coefficiente di scambio termico, del titolo di vapore all’inizio della crisi termica e delle perdite di carico sono confrontati con i valori stimati da alcune correlazioni empiriche proposte in letteratura

1. Introduzione: Nelle cavità con nanofluidi sottoposti ad un gradiente di temperatura, la migrazione termoforetica delle nanoparticelle sospese nella direzione dal caldo al freddo, che è solo parzialmente controbilanciata dalla loro diffusione browniana da alte a basse concentrazioni, si traduce in una distribuzione non uniforme di fase solida all'interno della cavità, i cui effetti non possono essere trascurati. Inoltre, vale la pena sottolineare che, a causa del moto relativo delle particelle in sospensione rispetto al liquido di base, in molte situazioni il raggiungimento del regime stazionario non può essere definito a priori. In particolare, se le condizioni al contorno e/o l'orientamento della cavità determinano la formazione di una regione di nanofluido a bassa concentrazione posizionata al di sotto di una regione di nonafluido ad alta concentrazione, si genera una spinta di galleggiamento conseguente al gradiente di concentrazione la cui competizione con la spinta di galleggiamento conseguente al gradiente di temperatura può essere abbastanza forte da dare origine ad instabilità del moto. Ciò è quanto in effetti accade nella convezione doppio-diffusiva tradizionale all'interno di cavità soggette a gradienti di temperatura e di concentrazione paralleli od ortogonali tra loro per determinati valori del rapporto tra le due spinte di galleggiamento, come riscontrato da Bennacer (2001), e più recentemente da Qin (2014), Ghernaout (2014), eWang (2016). Nonostante ciò, molti studi indirizzano la loro attenzione sul regime stazionario, formulando le equazioni con riferimento a tale regime, che è ad es. il caso dei lavori recentemente pubblicati da Khalili (2017), e di Motlagh. Inoltre, la maggior parte dei lavori numerici si fonda sull'approccio omogeneo monofase, in base al quale i nanofluidi sono trattati alla stregua di fluidi puri con proprietà termofisiche "equivalenti", nell'ipotesi che le nanoparticelle in sospensione, oltre ad essere in equilibrio termico locale con il liquido di base, non siano soggette a moto relativo rispetto al liquido stesso. Simulazioni numeriche più affidabili possono essere eseguite ricorrendo all'approccio eterogeneo bifase, con il quale si riescono a portare in conto anche gli effetti dei moti relativi che di fatto esistono tra le nanoparticelle ed il liquido di base, i quali possono essere sostanzialmente ascritti alla termoforesi ed alla diffusione Browniana. In particolare, nell'approccio bifase, viene adottato il modello di trasporto doppio-diffusivo "a quattro equazioni" proposto da Buongiorno (2006), purchè, si riesca ad eseguire una corretta quantificazione degli effetti del moto relativo esistente tra fase solida e fase liquida. Infatti, mentre è semplice valutare il valore del coefficiente di diffusione Browniana ricorrendo all'equazione proposta da Einstein (1905), non lo è altrettanto la valutazione del coefficiente di diffusione per termoforesi, usualmente calcolato mediante la relazione di Mc Nab e Meisen (1973), che, ricavata sperimentalmente per particelle non metalliche "isolate", di grandezza dell’ordine dei micron, può comportare notevoli sottostime degli effetti termoforetici  come ad esempio fatto osservare da Giddings et al. (1995)  effetti ai quali, tra l'altro, può proprio essere imputata la responsabilità del minore scambio termico per convezione naturale registrato sperimentalmente all'interno di cavità con due pareti verticali contrapposte mantenute a temperature differenti e le restanti pareti adiabatiche. Un'altra causa di discrepanza può essere ricercata nell'adozione di modelli delle proprietà fisiche dei nanofluidi non completamente aderenti alla realtà, quale è ad esempio il caso delle equazioni di Maxwell-Garnett (1954) e Hamilton e Crosser (1962) per la conducibilità termica e delle equazioni di Einstein (1906 e 1911) e Brinkman (1952) per la viscosità dinamica, di frequente utilizzate. In questo contesto generale, scopo della presente tesi è porre in evidenza la necessità dell’utilizzo di un modello doppio-diffusivo, rispetto al modello monofase, per la corretta valutazione della fenomenologia e dello scambio termico di nanofluidi a base acquosa in regime di convezione naturale. A tal fine è stata eseguita una serie di studi numerici sulla convezione naturale dei nanofluidi in cavità quadrate, al variare delle condizioni al contorno e per diversi orientamenti rispetto alla gravità, utilizzando un modello doppio-diffusivo bifase non stazionario, nell'ipotesi che la diffusione Browniana e termoforetica siano gli unici meccanismi mediante i quali la fase solida può sviluppare una velocità relativa significativa rispetto alla fase liquida. Il modello sviluppato include tre correlazioni empiriche per il calcolo della conduttività termica equivalente, della viscosità dinamica equivalente e del coefficiente di diffusione termoforetica, tutte basate su un numero elevato di dati sperimentali disponibili in letteratura da fonti diverse e convalidati utilizzando le relazioni di altri autori e dati sperimentali diversi da quelli impiegati per generarli.

La convezione svolge un ruolo fondamentale in numerose applicazioni della scienza e dell'ingegneria, con diversi risvolti di rilievo nel settore dell'energetica, come testimoniato dall’elevato numero di studi, a carattere sia teorico che sperimentale, condotti su tale argomento. A questo proposito, un ulteriore contributo al miglioramento dell'efficienza di scambio termico può derivare dall'utilizzo di "nanofluidi", in luogo dei fluidi di più comune impiego nell'ambito del controllo termico e, più in generale, della vettorizzazione energetica (quali acqua, glicole etilenico, olî minerali, etc.). Le ricerche relative a situazioni di convezione naturale, di genesi recente, sono poche e soprattutto esse giungono a risultati che, allo stato delle attuali conoscenze sui nanofluidi, non chiariscono se l'aggiunta di nanoparticelle al liquido puro di base comporti un effettivo miglioramento delle prestazioni di scambio termico. Infatti, tutti i lavori sperimentali eseguiti sulla convezione naturale in spazi confinati facilmente reperibili in letteratura giungono alla comune conclusione che le prestazioni di scambio termico dei nanofluidi sono essenzialmente peggiori di quelle del corrispondente liquido di base, individuando solo in alcuni casi qualche miglioramento di modesta entità. Viceversa, i diversi lavori numerici disponibili nella letteratura specializzata giungono a conclusioni spesso diverse tra loro, per quanto la tendenza generale sia quella di considerare favorevole l'impiego dei nanofluidi. Ciò ha motivato, nello specifico, la convalida di una coppia di equazioni empiriche facili da applicare per predire l'efficacia delle proprietà termiche e meccaniche dei nanofluidi e che hanno permesso di ottenere un buon livello di accordo con un numero sufficientemente elevato di dati sperimentali prontamente disponibili nella letteratura aperta. L'affidabilità di queste correlazioni è stata testata da analisi comparative con relazioni di altri autori e dati sperimentali diversi da quelli utilizzati per generarli. Allo studio dei nanofluidi è stato accostato l'approfondimento dell'indagine fenomenologica nel caso di impiego di fluidi tradizionali di base ̶ aria, acqua, oli ̶ per una migliore comprensione dei benefici e delle differenze tra i diversi casi. A tal fine è stato sviluppato un codice di calcolo alle differenze finite nella formulazione ai volumi di controllo basato sull'algoritmo SIMPLE-C di accoppiamento pressione-velocità e sullo schema QUICK di interpolazione dei termini convettivi. Lo sviluppo e l'impiego di questi due codici di calcolo ha permesso, come si vedrà più avanti, di studiare con grande accuratezza un numero rilevante di situazioni pervenendo alla chiarificazione di aspetti fin qui spesso dibattuti dalla comunità scientifica e alla individuazione di condizioni di trade-off ottimali di design per apparecchiature tecniche tanto nel caso di impiego di nanofluidi quanto nel caso di impiego di fluidi tradizionali. Lo studio del comportamento termofluidodinamico dei nanofluidi è eseguito mediante il ricorso ad un modello di trasporto doppio-diffusivo "a quattro equazioni" in grado di portare in debito conto gli effetti dei moti relativi che si verificano tra le nanoparticelle in sospensione ed il liquido di base. Nello studio dei fluidi puri di base, il flusso termico generato da elementi a diversa temperatura all'interno della cavità è considerato essere bidimensionale, laminare e incompressibile, con proprietà fisiche costanti. Gli effetti della variazione di viscosità sul trasferimento della quantità di moto sono presi in considerazione per mezzo della nota approssimazione di Boussinesq. La dissipazione per attrito viscoso e il lavoro di pressione, così come lo scambio termico per irraggiamento, sono ritenuti trascurabili. Viene eseguito lo studio numerico della convezione naturale di una piastra verticale riscaldata sospesa all'interno di una cavità a sezione quadrata contenente un nanofluido a base acquosa con particelle in sospensione a base di ossido di metallo e che presenta le facce laterali raffreddate e le facce orizzontali ̶ superiore e inferiore ̶ o perfettamente adiabatiche o anch'esse raffreddate per mezzo di un modello bifasico basato su un approccio doppio diffusivo per la valutazione degli effetti della termoforesi e della diffusione Browniana. Lo studio è altresì eseguito usando la frazione volumetrica media di fase solida in sospensione, il diametro medio delle particelle, la differenza di temperatura imposta tra le superfici della piastra e le facce della cavità, la lunghezza della piastra e la sua distanza dal fondo della cavità come variabili del sistema. Lo scopo principale della ricerca è quello di delineare le caratteristiche di base proprie dei flussi di calore e materia, di analizzare in che modo e in che misura le performance del sistema dipendano dalla presenza delle nanoparticelle solide disperse nel liquido di base e di determinare come la posizione della piastra all'interno della cavità influenzi le caratteristiche dei moti convettivi. Una rappresentazione schematica della geometria e delle condizioni al contorno del problema è mostrata in Figura 1. Fig. 1. Schematizzazione della geometria e delle condizioni al contorno. Dalla Figura 2, si evince che la quantità di calore scambiata dal nanofluido può essere significativamente più alta di quella scambiata dal solo liquido di base, come avviene per Tav = 330 K e φav = 0.04, dove l'incremento è prossimo al 16%. Al contrario, alle temperature più basse, il ridotto aumento della conduttività termica da luogo a una diversa situazione: la dispersione di una via via crescente quantità di particelle solide all'interno del liquido di base genera un debole incremento del rapporto Qn/Qf fino ad un certo valore, grazie all'effetto dell'aumento della conduttività termica. Proseguendo, il rapporto Qn/Qf diminuisce, come diretta conseguenza del fatto che aumenta il negativo effetto della crescita della viscosità dinamica. Fig. 2. Distribuzioni del rapporto tra il flusso termico del nanofluido e del liquido di base, Qn/Qf, in funzione di φav e per differenti valori di Tav. Per lo studio dei liquidi di base, si è considerata una cavità quadrata sotto le condizioni riportate nello schetch di Fig. 3. Fig. 3. Schematizzazione della geometria e delle condizioni al contorno. I test numerici sono stati eseguiti per diversi set di valori di (a) il numero di Rayleigh, Ra, nel range compreso tra 103 e 107, (b) la larghezza adimensionalizzata della cavità, S, nel range tra 2 e 10, (c) la distanza adimensionalizzata della piastra dal fondo della cavità, E, nel range tra 0.2 e 0.8, e (d) il numero di Prandtl, tra 0.7 e 700. Dall'analisi dei risultati numerici emerge che il campo di velocità consiste sostanzialmente di due celle controrotanti traenti origine dall'ascesa del pennacchio caldo sopra la piastra e dalla discesa di due flussi di fluido freddo lungo le facce laterali fredde della cavità. Più nel dettaglio, al crescere della dimensione della cavità e/o della distanza della piastra dalla sommità della cavità, lo spazio potenzialmente disponibile al pennacchio caldo per accelerare aumenta comportando un incremento dell'intensità del flusso termico e, conseguentemente, una contrazione del pennacchio stesso e un assottigliamento degli strati limite lungo la piastra e le pareti della cavità. In virtù di ciò si ha, in ultimo, un incremento dello scambio termico. Stessi risultati si ottengono al crescere del numero di Rayleigh e del numero di Prandtl, come conseguenza dell'incremento della velocità di rimescolamento del fluido o della viscosità, rispettivamente, così come al passaggio dal riscaldamento della sola superficie inferiore della piastra a quella superiore o a entrambe, grazie alla sostanziale aumento della spinta di galleggiamento. Si nota che il peso del riscaldamento della faccia superiore sul calore scambiato da quella inferiore è molto limitato. Ciò può essere ascritto al fatto che il moto del fluido nella regione sottostante la piastra è dovuto principalmente al contributo della faccia inferiore, almeno fin tanto che la dimensione della cavità e/o il numero di Rayleigh non sono troppo piccoli, per via dei non trascurabili effetti della presenza delle pareti laterali fredde sul moto stesso. Al contrario, l'influenza dell'accensione della faccia inferiore sul calore scambiato da quella superiore risulta essere evidente e ne comporta una più o meno marcata riduzione. Difatti, a causa dell'accensione della faccia inferiore, l'intera piastra risulta immersa in un flusso caldo il cui ultimo effetto è quello di ridurre la differenza di temperatura tra la superficie superiore della piastra e il fluido circostante riducendo pertanto il flusso termico locale. I risultati numerici ottenuti hanno consentito la definizione del seguente set di correlazioni per i numeri di Nusselt medi Nu_U=0.256 〖Ra_D〗^0.231 E^(-0.14) S^0.113 Pr^0.13 (9) Nu_D=0.374 〖Ra_D〗^0.211 E^(-0.1) S^0.14 Pr^0.043 (10) Nu=0.312 〖Ra_D〗^0.223 E^(-0.1) S^0.145 Pr^0.076 (11) Nu_U0=0.326 〖Ra_D〗^0.211 E^(-0.058) S^0.039 Pr^0.067 (12) (numero di Nusselt NuU0 della sola faccia superiore nel caso in cui l'inferiore sia mantenuta adiabatica) Nu_D0=0.242 〖Ra_D〗^0.209 E^(-0.07) S^0.07 Pr^0.045 (13) (numero di Nusselt NuU0 della sola faccia inferiore nel caso in cui la superiore sia mantenuta adiabatica). In conclusione, i principali risultati ottenuti dall'indagine sui nanofluidi a base acquosa posso essere sintetizzati come segue. 1a. La migrazione della fase solida dalle regioni più calde e a quelle fredde risulta in una favorevole spinta convettiva solutale che tende a compensare l'incremento di attrito dovuto all'aumentare della viscosità legato alla dispersione delle nanoparticelle all'interno del fluido di base. 2a. L'incremento della conducibilità termica a seguito della dispersione delle nanoparticelle all'interno del fluido di base gioca un ruolo predominante nel definire il guadagno in calore scambiato conseguentemente all'impiego dei nanofluidi, per lo meno ai valori più elevati del range di temperatura investigato. 3a. Alle alte temperature, le prestazioni del nanofluido aumentano al crescere della frazione in volume della fase solida sospesa, mentre alle basse temperature presentano un massimo per una data concentrazione ottimale di particelle. 4a. Il guadagno in prestazioni del nanofluido rispetto al fluido di base cresce significativamente all'aumentare della temperatura media del sistema e solo moderatamente all'aumentare della differenza di temperatura e/o al diminuire della dimensione caratteristica delle particelle. 5a. Il guadagno in prestazioni del nanofluido rispetto al fluido di base presenta un minimo per una determinata lunghezza della piastra e per una determinata distanza della stessa dal fondo della cavità. 6a. Se le pareti orizzontali della cavità sono raffreddate anziché mantenute adiabatiche, può generarsi una periodicità nel flusso termico come conseguenza degli opposti e concorrenti effetti delle spinte termiche e solutali, in funzione anche della posizione della piastra. I principali risultati ottenuti dall'indagine sui fluidi puri, principalmente acqua, posso essere sintetizzati come segue. 1b. Il numero di Nusselt medio aumenta al crescere della larghezza adimensionale della cavità e/o del numero di Rayleigh e/o del numero di Prandtl, con un andamento crescente quando il numero di Rayleigh è elevato e decrescente quando il numero di Prandtl e/o la larghezza adimensionale della cavità sono elevate. Al contrario, il numero di Nusselt medio diminuisce sempre più al ridursi delle dimensioni della cavità confinante. 2b. Il riscaldamento della faccia superiore della piastra risulta avere un modesto impatto sul calore scambiato dalla superficie inferiore della stessa. 3b. Il flusso termico scambiato dalla faccia superiore della piastra risulta essere significativamente influenzato dall'accensione della superficie inferiore della stessa. In particolare, detto flusso diminuisce. 4b. Un set di sei correlazioni adimensionali di aiuto in applicazioni di progettazione ingegneristica per la quantificazione dello scambio termico da piastre all'interno di cavità è proposto, per tutte le configurazioni investigate nell'ambito di questo lavoro.

La tesi presenta gli studi numerici dei campi di termofluidodinamici prodotti da schiere di cilindri orizzontali disposti in schiere verticali, orizzontali o inclinate. Uno specifico codice di calcolo basato sull'algoritmo SIMPLE-C è utilizzato per la risoluzione delle equazioni di conservazione della massa, della quantità di moto e dell'energia in forma adimensionale. I risultato sono presentati per diversi valori dell'interasse tra i cilindri, dell'angolo di inclinazione della schiera tra 0° e 90° e del numero di Rayleigh basato sul diametro del singolo cilindro nell'intervallo tra 103 e 107. È stato rilevato che lo scambio termico da tutti i cilindri può essere ricondotto all'effetto combinato del cosiddetto "effetto pennacchio" ed "effetto camino", che sono le mutue interazioni che si manifestano rispettivamente per schiere verticali ed orizzontali. Inoltre, ad ogni angolo di inclinazione, esiste una distanza ottimale che determina un massimo dello scambio termico, distanza che decresce all'aumentare del numero di Rayleigh. Infine, è stato rilevato che, anche per allineamenti verticali, per distanze inferiori ad un valore critico, lo scambio termico del cilindro inferiore diminuisce per la presenza del cilindro sovrastante, mentre l'effetto dello stato termico del cilindro sovrastante si risente per distanze ulteriormente inferiori. Sono quindi proposte equazioni di correlazione per ciascun cilindro e per la schiera nel suo insieme per differenti configurazioni.
Steady laminar free convection in air from parallel horizontal cylinders aligned either vertically, horizontally or diagonally is studied numerically. A specifically developed computer code based on the SIMPLE-C algorithm is used for the solution of the dimensionless mass, momentum, and energy transfer governing equations. Results are presented for different values of the center-to-center cylinder spacing, the tilting angle of the cylinder array from 0 deg to 90 deg, and the Rayleigh number based on the cylinder diameter in the range between 103 and 107. It is found that the heat transfer rates at each cylinder surfaces may in principle be traced back to the combined contributions of the so-called plume effect and chimney effect, which are the mutual interactions occurring in the vertical and horizontal alignments, respectively. In addition, at any misalignment angle, an optimum spacing between the cylinders for the maximum heat transfer rate, which decreases with increasing the Rayleigh number, does exist. Moreover, it is found that, even for vertically aligned cylinders, for spacings smaller than a first critical distance, the heat transfer performance of the bottom cylinder degrades owing to the presence of the top cylinder, whichever is the temperature condition imposed at the top cylinder surface, and the thermal state of the upper cylinder surface starts being effective on the thermal behavior of the bottom cylinder once the cylinder-spacing is further reduced below a second critical distance. Heat transfer dimensionless correlating equations are proposed for any individual cylinder and for the array cylinders as a whole for different arrangements of the array.

Secondo molti studi, la dialisi extracorporea con metodiche convettive è associata con migliori outcome clinici e con un beneficio di sopravvivenza rispetto alle tecniche diffusive. Tuttavia, non c'è pieno accordo sulla reale superiorità di questo tipo di terapia sostitutiva della funzione renale su end-point forti come la mortalità. Abbiamo condotto uno studio epidemiologico retrospettivo di coorte per fornire un'evidenza "real-world" sull'impatto delle tecniche dialitiche convettive e non convettive sulla mortalità da tutte le cause e cardiaca e su parametri biochimici nei pazienti dializzati della Sicilia. I dati di tutti i pazienti adulti incidenti (N = 6529) che hanno iniziato la dialisi extracorporea cronica nel periodo 2009-2015 sono stati estrapolati dal Registro Siciliano di Nefrologia, Dialisi e Trapianto. Dei pazienti arruolati, 1558 erano trattati con tecniche convettive (23.86%). La mortalità globale era del 45.21% con una differenza statisticamente significativa tra i gruppi convettivo (31.39%) e non convettivo (49.55%) (P < 0.0001). Dopo aggiustamento per potenziali confonditori in modelli di regressione multipla di Cox di complessità crescente, il rischio di mortalità rimaneva significativamente più basso per i pazienti trattati con metodi convettivi (HR, 0.581; 95%CI, 0.525 - 0.643; P < 0.0001). Inoltre, il gruppo convettivo aveva un migliore profilo ematochimico, una maggiore efficienza dialitica e un ridotto tasso di mortalità da malattie cardiache rispetto al gruppo non convettivo. Come analisi di sensibilità, i pazienti sono stati categorizzati in base a quartili di propensity score e l'hazard ratio per la mortalità sia da tutte le cause sia cardiaca era significativamente minore per il gruppo convettivo in ogni quartile. In conclusione, nonostante il disegno osservazionale e retrospettivo, i risultati del presente studio supportano ulteriormente l'uso delle terapie convettive per il trattamento dei pazienti con malattia renale cronica in fase uremica terminale.