Nelle reti di tubazioni e condotte le perdite di carico delle curve si ricavano di solito da tabelle. Quei valori sono corretti — per una curva isolata con un flusso di avvicinamento uniforme.
I vortici di Dean
In un condotto curvo la forza centrifuga spinge il fluido verso la parete esterna; la continuità compensa con due celle controrotanti. Il risultato è una circolazione secondaria sovrapposta al flusso assiale, che non si smorza per decine di diametri a valle della curva.
Le conseguenze sono due:
La perdita aumenta. Anche la circolazione secondaria consuma energia; la perdita totale supera il valore tabellare della curva isolata.
Il flusso a valle è distorto. Ciò che esce da una curva non è uniforme. Un misuratore di portata installato subito dopo legge male, un ventilatore subisce un effetto di sistema, uno scambiatore di calore subisce un problema di distribuzione, e l'aspirazione di una pompa risulta degradata.
Curve in serie
Se due curve si susseguono, la perdita totale non è la somma delle perdite singole. Sullo stesso piano il flusso secondario può essere rinforzato oppure annullato; su piani diversi nasce un flusso rotante tridimensionale e la perdita cresce nettamente. Sommare i valori tabellari qui inganna sistematicamente — è uno dei casi più chiari in cui la CFD ripaga il proprio costo nella progettazione di impianto.
Una nota di modellazione
Il flusso secondario è fatto di componenti di velocità normali al flusso assiale, e quelle componenti sono piccole. Una griglia grossolana o uno schema del primo ordine le cancella con facilità. La griglia deve avere risoluzione sufficiente sulla sezione e la soluzione va chiusa al secondo ordine.
Sul fronte della turbolenza, i modelli isotropi a due equazioni colgono male l'anisotropia di un flusso rotante; dove conta l'intensità del flusso secondario, un modello degli sforzi di Reynolds è più realistico [1]. Lo stesso limite vale nei separatori a ciclone.
Riferimenti
- 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.
- 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