Langella, Francesco (2011) Studio del processo di atomizzazione di fluidi ad alta viscosità orientato alla lubrificazione di sistemi meccanici. [Tesi di dottorato] (Unpublished)

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Obiettivo di questa ricerca è stato valutare quali siano gli orizzonti per l’ ottimizzazione di processi di lubrificazione. Lo studio preliminare sull’ attuale stato di avanzamento dei processi di lubrificazione ha messo in mostra che le attuali tendenze sono fortemente tese allo studio di nuovi fluidi e poco su sistemi che possano ottimizzare il recupero degli attriti e lo scambio termico. Dopo un’attenta analisi bibliografica si è verificato che in alcuni campi (e.g. quello motoristico alto prestazionale) esistono delle piccole applicazioni della lubrificazione cosiddetta spray. Tale studio ha messo in evidenza come il supporto letterale, di tipo sperimentale, messo a punto nel corso dell’ultimo secolo per quanto riguarda il processo di atomizzazione, pecca, in termini di previsioni, con l’utilizzo di fluidi altamente viscosi. Maggiori differenze vengono riscontrate al diminuire di quelle che sono le dimensioni geometriche dell’ugello e in particolar modo al diminuire del diametro di sbocco. Per sopperire a questa carenza lo studio, di un’eventuale applicazione della tecnologia spray nell’ambito della lubrificazione, si è esteso ai fenomeni di impatto goccia e coalescenza per fluidi altamente viscosi. Tale studio ha portato a comprendere che una serie di gocce che impattano su di una superficie senza rimbalzare coalescono tra di loro tanto più velocemente quanto più vicine esse si trovano. La rapidità con cui coalescono dipende fortemente dalla velocità che si instaura nel mezzo gassoso tra le gocce. In particolare una velocità superiore produce, all’impatto, una maggiore distensione della goccia, ma una minore velocità di quest’ultima nel coalescere. Da questo scaturisce che è possibile generare un film continuo in funzione di una distribuzione di gocce e garantire quindi, istante per istante, la presenza di un meato utile alla lubrificazione di una coppia cinematica Per ottenere una superficie lubrificante partendo da gocce è necessario atomizzare un fluido altamente viscoso. Lo studio effettuato su un sistema di atomizzazione pressure-swirl a livello statistico tramite un analisi discriminante, ha portato a comprendere le variabili geometriche che sono in grado di oggettivare l’atomizzazione o meno di un getto liquido. La principale difficoltà riscontrata è stata quella di caratterizzare l’andamento geometrico di un getto, considerando piccole distanze dallo sbocco dell’ordine 1 fino a 20mm. Tale vincolo ci è stato imposto per esigenze di tipo applicativo dovuto alla necessità di dover applicare tale studio in organi meccanici quali cambi, coppie cinematiche pistone cilindro, ecc. In tali organi gli spazzi utili per alloggiare un eventuale atomizzatore sono ridotti. La stessa analisi, in termini di distanze, è stata effettuata con il PDA. La distanza minima a cui è stato possibile utilizzare il laser è stata di 30mm. Distanze ancora più basse rendevano difficile la validazione dello strumento, rendendo di fatto nulle le acquisizioni. Da tale indagine è emerso come il processo sia instabile al punto da ottenere una distribuzione dei diametri di tipo bimodale. Affinché il processo di atomizzazione tenesse conto dei risultati ottenuti dagli studi di impatto goccia e coalescenza, e nello stesso modo riuscire ad ottenere una distribuzione dei diametri più concentrata intorno a valori grandi di diametri, è stato necessario riprogettare l’intero ugello. In particolare le caratteristiche geometriche in grado di manipolare una distribuzione volumetrica dei diametri goccia in un atomizzatore, sono le dimensioni della camera di swirl e del condotto di sbocco. Una volta ottenute le dimensioni effettive, si è realizzato il CAD dell’ugello e quello modificato, ad entrambi è stata fatta la mesh dei volumi interni. Con l’ausilio del software Fluent, in maniera numerica, si è ricercato l’influenza che un cambiamento di tipo geometrico volto a migliorare la curva di distribuzione dei diametri, per ottenere una loro minore variabilità e quindi un andamento più concentrato attorno a determinati valori. Questo perché un processo più controllabile è idoneo ad essere impiegato come strumento di lubrificazione di organi meccanici, magari legando il processo di atomizzazione al numero di giri o velocità dell’organo da lubrificare. Da qui è emerso che una tale variazione geometrica comporta anche una diminuzione di quelle che sono le velocità di sbocco. Per quello che è stato rilevato in precedenza, tale diminuzione di velocità aiuta le goccioline, una volta impattate, a velocizzare il processo di coalescenza e a realizzare nel minor tempo possibile un film continuo di lubrificante.

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