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Studio e Caratterizzazione di una Valvola Deviatrice Innovativa ad effetto Coanda

Informazioni tesi

  Autore: Giancarlo Comes
  Tipo: Laurea liv.II (specialistica)
  Anno: 2016-17
  Università: Università degli studi di Genova
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria meccanica
  Relatore: Carlo Cravero
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 130

Il presente lavoro, sviluppato in collaborazione con Fluid-o-Tech, F-Lab, Dolphin Fluidics ed il Consorzio SIRE di Savona, ha come oggetto lo studio di un apparato fluidico innovativo, che consiste in una valvola deviatrice a due uscite, in grado di elaborare un getto di acqua in ingresso e deviarlo verso una delle uscite senza ausilio di parti mobili, unicamente grazie all’effetto di attaccamento a parete, è possibile poi controllare il getto stesso grazie ad una fluttuazione di pressione indotta dall’esterno attraverso due canali di attuazione.
Questo apparato prende il nome di Deviatore Bi-stabile ad Attaccamento (abbreviato DBA) e sfrutta l’effetto di adesione di un getto ad una parete convessa ad esso adiacente, noto come effetto Coanda, per generare la forza deviatrice del flusso.
Lo scopo del lavoro è studiare questa classe di apparati, acquisendo un Know-How sulle dinamiche che in essi intervengono, grazie alla raccolta di una quanto più ampia possibile bibliografia, per poi caratterizzare una configurazione geometrica adatta a funzionare con acqua ed in determinate condizioni di flusso. Si è quindi elaborato un modello matematico del DBA, che ha consentito di stabilire le relazioni tra configurazione geometrica del dispositivo e dinamiche di flusso del getto in esso evolvente, poi validato attraverso un approccio di simulazione alla CFD.
A conclusione del lavoro sono stati svolti dei test sperimentali in laboratorio su un prototipo funzionante del dispositivo, volti a saggiare l’affidabilità sia della modellazione analitica che delle simulazioni CFD, oltre a verificare l’effettivo funzionamento dell’apparato nel campo operativo previsto.

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7 1. Introduzione Storicamente si attribuisce ad L. Prandtl ed a N. Tesla il merito di aver gettato i fondamenti per il concepimento e lo studio dei primi elementi fluidici, grazie ai loro studi sui diffusori ad ampio angolo ed i condotti valvolari rispettivamente; tuttavia fu solo nei primi anni ’30 che venne data la vera svolta per la realizzazione di questi apparati, anni nei quali H. Coanda pubblica i suoi primi studi sull’attaccamento di un fluido ad una parete limitrofa e successivamente quelli sull’omonimo effetto, il quale è tutt’ora alla base del funzionamento di molte tipologie di elementi fluidici, compreso quello in oggetto del presente elaborato. Gli elementi fluidici rappresentano soluzioni innovative per l’assoluzione di funzioni di controllo su fluidi in moto, la realizzazione di interruttori logici, valvole, sensori di prossimità e molto altro. L’estrema semplicità costruttiva, l’assenza di parti mobili, la bassissima energia necessaria per il loro controllo e la grande affidabilità, sono solo alcune delle caratteristiche di pregio di questi apparati innovativi, e rappresentano i principali motivi per i quali vi è parecchio interesse nel loro sviluppo. Tuttavia la complessità della fluidodinamica, l’attuale assenza di modelli di simulazione ampiamente validati e la difficoltà insita nell’approccio analitico di questi apparati, ha rallentato la ricerca, anche se, soprattutto grazie a nuove tecnologie quali la Computational Fluid Dynamics – CFD e le sempre più avanzate apparecchiature di rilievo sperimentale, si prevede nel prossimo futuro una inversione di tendenza sulla ricerca, che porterà nel breve-medio termine a concepire concreti sviluppi applicativi per questi apparati. Il deviatore fluidico bistabile, al quale ci si riferisce con la sigla DBA, sullo studio e sviluppo del quale ho incardinato questo lavoro, è un apparto consistente in un condotto ad “Y”, presenta un ingresso per il fluido principale e due uscite possibili, la particolarità del sistema sta nella possibilità di indirizzare il flusso verso una delle due uscite senza l’ausilio di parti mobili. Spinto da un condotto capillare di attuazione, che fornisce un impulso di pressione della durata necessaria al transitorio, il flusso devia verso il ramo prescelto e conserva una condizione di stabilità grazie all’adesione per effetto Coanda su di una superficie curva, che lo mantiene indirizzato verso il ramo di uscita della biforcazione selezionato. L’obbiettivo del lavoro era quello di condurre uno studio su di una particolare classe di apparati fluidici, quella dei DBA appunto, che fosse sufficientemente approfondito da consentire di: caratterizzare una configurazione geometrica del dispositivo a livello razionale e quanto più generalizzato possibile; tracciare una modellazione analitica delle grandezze di interesse tecnico dell’apparato con particolare riferimento alle portate in gioco; condurre una analisi alla CFD utile a validare la modellazione proposta ed infine realizzare un prototipo funzionante testandone in laboratorio aziendale l’effettivo funzionamento, cercando possibili spunti di ottimizzazione e campi applicativi. Ho sviluppato il lavoro partendo da uno studio teorico sugli elementi fluidici e sull’effetto Coanda, arrivando a caratterizzare una geometria di mia concezione per l’apparato. Il passo successivo, dopo aver sviluppato un modello matematico, è stato quello di portare avanti una serie di simulazioni alla CFD, percorrendo un iter di indagine sperimentale computazionale grazie al quale ho potuto validare il modello e la geometria che avevo concepito, verificare il funzionamento del deviatore, ricavare leggi sperimentali tra i parametri geometrici e quelli

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