Vai al contenuto principale
it

Fluidi non newtoniani: la viscosità non è più un numero

Vernici, paste, fanghi, polimeri, prodotti alimentari e sangue: in tutti la viscosità dipende dalla velocità di taglio. Un calcolo svolto con un solo valore è sbagliato in partenza.

Per l'acqua e l'aria la viscosità è una costante del materiale. Per molti fluidi lavorati nell'industria non lo è: la viscosità dipende da quanto rapidamente il fluido viene sottoposto a taglio.

I comportamenti principali

Pseudoplastico (shear-thinning). La viscosità cala al crescere della velocità di taglio. È la classe più comune: soluzioni polimeriche, vernici, ketchup, sangue. Il fluido è poco viscoso vicino alla pala della girante e denso alla parete del serbatoio — ed è proprio per questo che si formano zone morte.

Dilatante (shear-thickening). Il contrario. Si osserva nelle sospensioni dense; pericoloso per le pompe.

Con sforzo di soglia (Bingham). Al di sotto di un certo sforzo non scorre affatto e si comporta come un solido. Dentifricio, fango di perforazione, calcestruzzo fresco. Rimettere in moto un fluido di Bingham fermatosi in una tubazione richiede una pressione molto più alta del flusso a regime — ed è quella la condizione che dimensiona.

Modellazione

La viscosità si descrive con una curva di modello (legge di potenza, Carreau, Herschel-Bulkley). Nella scelta vanno curati due aspetti:

L'intervallo di velocità di taglio. I coefficienti del modello valgono nell'intervallo in cui è stata eseguita la misura al reometro. Se le velocità di taglio del calcolo cadono fuori da quell'intervallo, il modello viene estrapolato — una legge di potenza dà viscosità infinita a basse velocità di taglio, cosa non fisica.

Il trattamento numerico dello sforzo di soglia. Nella regione a taglio nullo la viscosità tende all'infinito; i solutori la troncano con un limite superiore, e il valore di quel limite incide sul risultato. Va riportato.

Il regime

A causa dell'elevata viscosità apparente questi flussi sono di solito laminari. Lasciare acceso il modello di turbolenza produce una miscelazione che non esiste ed esagera il tempo di miscelazione e lo scambio termico. Calcolare il numero di Reynolds con la viscosità locale e confermare il regime è il primo passo. Vedi la nota sul serbatoio agitato.

Riferimenti

  1. Ferziger, J. H., Perić, M. & Street, R. L. (2020). Computational Methods for Fluid Dynamics, 4th ed. Springer. DOI: 10.1007/978-3-319-99693-6
  2. Ergun, S. (1952). Fluid flow through packed columns. Chemical Engineering Progress, 48(2), 89–94.

Parliamo del tuo progetto

Definiamo insieme il sistema da analizzare e la domanda a cui rispondere.

Parliamo del tuo progetto