Un getto che impatta perpendicolarmente su una superficie produce i più alti coefficienti di scambio termico locale ottenibili. È per questo che viene usato nella tempra del vetro, nel raffreddamento interno delle pale di turbina, nel raffreddamento localizzato dell'elettronica e nei processi di essiccazione.
Tre zone
Zona di ristagno. Il getto colpisce la superficie, la velocità va a zero e lo strato limite è molto sottile; qui lo scambio termico raggiunge il massimo.
Getto di parete. Il flusso si espande lateralmente, accelera e poi decelera.
Picco secondario. A certe distanze fra ugello e superficie compare un secondo picco di scambio termico appena fuori dal punto di ristagno, perché lì lo strato limite attraversa la transizione. Un progetto che si attende una distribuzione a un solo picco manca quella zona.
Perché è difficile da modellare
La zona d'impatto sta fuori dalle ipotesi su cui sono costruiti i modelli di turbolenza standard: il flusso è normale alla parete, dominano gli sforzi normali, lo sforzo di taglio è piccolo. I modelli isotropi a due equazioni producono sistematicamente troppa energia cinetica turbolenta nel punto di ristagno e sovrastimano lo scambio termico.
Rimedi pratici: varianti di modello con correzione al punto di ristagno, modelli sensibili alla transizione [1], oppure modelli degli sforzi di Reynolds che trasportano l'anisotropia [2].
Griglia e distanza
Nella zona di ristagno y+ < 1 è obbligatorio; lo scambio termico è il gradiente di temperatura alla parete. Vedi la nota sulla mappa di y+.
La distanza fra ugello e superficie è un parametro di progetto dominante e l'ottimo cade in un intervallo stretto: troppo vicino il getto non è sviluppato, troppo lontano si allarga e perde la propria energia.
Schiere di getti
Quanto vale per un getto singolo non si trasferisce direttamente a una schiera: l'aria esausta dei getti vicini crea un flusso trasversale che piega lateralmente i getti a valle. I getti all'estremità di una schiera lavorano molto meno. Il modo in cui l'aria esausta viene evacuata conta quanto i getti stessi.
Riferimenti
- Langtry, R. B. & Menter, F. R. (2009). Correlation-based transition modeling for unstructured parallelized computational fluid dynamics codes. AIAA Journal, 47(12), 2894–2906. DOI: 10.2514/1.42362
- Launder, B. E., Reece, G. J. & Rodi, W. (1975). Progress in the development of a Reynolds-stress turbulence closure. Journal of Fluid Mechanics, 68(3), 537–566.