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Jul 17, 2023

Demistificazione della turbolenza dei fluidi, della velocità e della misurazione del flusso

Una delle domande filosofiche di lunga data della vita è se la luce nel frigorifero si spegne quando la porta è chiusa. Per gli ingegneri di processo, una questione ancora più profonda riguarda sapere cosa

Una delle domande filosofiche di lunga data della vita è se la luce nel frigorifero si spegne quando la porta è chiusa. Per gli ingegneri di processo, una questione ancora più profonda riguarda sapere cosa succede all’interno dei tubi. Come per il frigorifero, è difficile vedere l'interno e accertare la risposta. Il comportamento dei fluidi nel loro flusso da un luogo all'altro ha causato molta costernazione ed è ancora un mistero per molti.

È facile immaginare che il liquido fluisca attraverso un tubo come una colonna uniforme, ma sappiamo che non è affatto così. Le caratteristiche o caratteristiche delle tubazioni determinano una gamma di velocità attraverso il tubo. La fonte primaria è l'attrito. Anche se potrebbe non sembrare che ci sia molta resistenza al flusso, è una considerazione importante. Anche nei tubi diritti con interno liscio, il liquido più vicino alla parete si muove più lentamente perché sfrega contro la parete del tubo. Lo strato successivo viene rallentato da quello più esterno e così via. Di conseguenza, il liquido al centro del tubo si muove più velocemente (Figura 1). Questa è una descrizione del flusso laminare, in cui vengono mantenuti strati distinti. In condizioni di flusso turbolento, che si verificano a velocità più elevate, vortici e vortici causano la mescolanza di questi strati mentre il fluido si muove lungo il tubo. Se parliamo di velocità del fluido in un tubo, descriviamo una media come se si muovesse come una colonna perfettamente uniforme, ma non è così.

Il flusso laminare è più efficiente dal punto di vista della pura perdita di energia; tuttavia, questo non è un regime di flusso che può essere realisticamente mantenuto nelle tubazioni di processo poiché le dimensioni delle linee dovrebbero essere molto grandi rispetto al flusso. Il flusso turbolento si incontra in tutti i flussi tranne quelli più viscosi. Il flusso turbolento derivante da velocità del flusso più elevate non deve essere confuso con disturbi del flusso che aggiungono un gradiente di velocità al flusso. Questi possono essere causati da configurazioni di tubazioni come gomiti e valvole.

Figura 1: Il flusso laminare è in realtà una distribuzione della velocità, con il fluido che si muove più velocemente al centro.

I disturbi del flusso sono inerenti ai sistemi di tubazioni a causa, tra le altre cose, della necessità di cambiare direzione (gomiti), controllare il flusso (valvole) ed effettuare misurazioni (pozzetti termometrici). Una corretta progettazione e riconoscimento di questi disturbi sono fondamentali per garantire che il processo complessivo funzioni secondo le aspettative. I disturbi possono avere molte origini nelle tubazioni:

Esistono molte equazioni per calcolare tutti i tipi di valori relativi al flusso e alle tubazioni, che ora vengono utilizzate principalmente per torturare gli studenti di ingegneria poiché la strumentazione e gli strumenti software di modellazione ora gestiscono la maggior parte di questi compiti. Nel mondo reale, l'obiettivo è generalmente quello di ridurre al minimo i disturbi del flusso, il che significa evitare di crearne fonti ove possibile. Alcuni dispositivi sono particolarmente sensibili alle turbolenze, come l'ingresso di una pompa centrifuga, molti tipi di ugelli spruzzatori e la maggior parte dei flussimetri. Il rimedio a tutti questi problemi è richiedere un certo tratto di tubo diritto (spesso in combinazione con un raddrizzatore di flusso) prima e talvolta dopo il dispositivo. Pensiamo a come funziona.

Senza entrare troppo nei dettagli di matematica, due variabili principali che influenzano i regimi di flusso sono il diametro del tubo e la velocità del fluido. L'aspetto del diametro del tubo non è difficile da concettualizzare. All'aumentare del diametro della colonna di liquido aumenta anche la complessità del profilo di velocità, motivo per cui i requisiti dei tubi diritti sono espressi in termini di diametri dei tubi.

Anche la velocità del fluido è un fattore, ma di solito viene data per scontata in larga misura. Quanto più lento è il movimento del liquido attraverso un tubo, tanto più drastico sarà il profilo del flusso. Ancora una volta, questo non è difficile da concettualizzare: il liquido che si muove lentamente crea meno turbolenza, consentendo una maggiore disparità tra la velocità del fluido vicino alla parete del tubo rispetto al centro del tubo. La velocità tende a essere ignorata in queste discussioni perché normalmente rientra nelle linee guida sui diametri dei tubi necessari per gestire i volumi di flusso in base alla velocità. Una regola pratica per i liquidi richiede una velocità inferiore a 7 piedi al secondo (fps) per tubi di medie dimensioni. Diametri più piccoli, come quelli inferiori a 1 pollice, richiedono una velocità inferiore.