Che si tratti di acqua che scorre attraverso una piastra del condensatore in un impianto industriale, o sibilo d'aria attraverso i condotti di riscaldamento e raffreddamento, il flusso di fluidi attraverso superfici piane è un fenomeno al centro di molti dei processi della vita moderna. Ancora, gli aspetti di questo processo sono stati poco compresi, e alcuni sono stati insegnati in modo errato a generazioni di studenti di ingegneria, mostra una nuova analisi.

Lo studio ha esaminato diversi decenni di ricerche e analisi pubblicate sui flussi di fluidi. Ha scoperto che, mentre la maggior parte dei libri di testo universitari e delle lezioni in classe sul trasferimento di calore descrivono tale flusso come avente due zone diverse separate da una transizione improvvisa, infatti ci sono tre zone distinte. Una lunga zona di transizione è altrettanto significativa quanto la prima e l'ultima zona, dicono i ricercatori.

La discrepanza ha a che fare con lo spostamento tra due diversi modi in cui i fluidi possono fluire. Quando l'acqua o l'aria iniziano a fluire lungo un piano, foglio solido, si forma un sottile strato limite. All'interno di questo strato, la parte più vicina alla superficie si muove appena a causa dell'attrito, la parte appena sopra che scorre un po' più velocemente, e così via, fino a un punto in cui si muove alla massima velocità del flusso originale. Questo costante, l'aumento graduale della velocità attraverso un sottile strato limite è chiamato flusso laminare. Ma più a valle, il flusso cambia, rompersi in vortici e vortici caotici noti come flusso turbolento.

Le proprietà di questo strato limite determinano quanto bene il fluido può trasferire calore, che è la chiave per molti processi di raffreddamento come per i computer ad alte prestazioni, impianti di desalinizzazione, o condensatori di centrali elettriche.

Agli studenti è stato insegnato a calcolare le caratteristiche di tali flussi come se ci fosse un improvviso cambiamento da flusso laminare a flusso turbolento. Ma John Lienhard, l'Abdul Lateef Jameel Professore di acqua e di ingegneria meccanica al MIT, ha effettuato un'attenta analisi dei dati sperimentali pubblicati e ha scoperto che questa immagine ignora una parte importante del processo. I risultati sono stati appena pubblicati nel Diario del trasferimento di calore .

La revisione di Lienhard dei dati sul trasferimento di calore rivela una zona di transizione significativa tra i flussi laminari e turbolenti. La resistenza al flusso di calore di questa zona di transizione varia gradualmente tra quelle delle altre due zone, e la zona è tanto lunga e distintiva quanto la zona a flusso laminare che la precede.

I risultati potrebbero potenzialmente avere implicazioni per tutto, dalla progettazione di scambiatori di calore per la desalinizzazione o altri processi su scala industriale, alla comprensione del flusso d'aria attraverso i motori a reazione, dice Lienhard.

Infatti, anche se, la maggior parte degli ingegneri che lavorano su tali sistemi comprende l'esistenza di una lunga zona di transizione, anche se non è nei libri di testo universitari, Note di Lienhard. Ora, chiarendo e quantificando la transizione, questo studio aiuterà ad allineare la teoria e l'insegnamento con la pratica ingegneristica del mondo reale. "La nozione di una transizione improvvisa è stata radicata nei libri di testo e nelle aule sul trasferimento di calore negli ultimi 60 o 70 anni, " lui dice.

Le formule di base per comprendere il flusso lungo una superficie piana sono le basi fondamentali per tutte le situazioni di flusso più complesse come il flusso d'aria su un'ala curva di un aeroplano o una pala di turbina, o per raffreddare i veicoli spaziali quando rientrano nell'atmosfera. "La superficie piana è il punto di partenza per capire come funzionano queste cose, "dice Lienhard.

La teoria delle superfici piane è stata elaborata dal ricercatore tedesco Ernst Pohlhausen nel 1921. Ma anche così, "Gli esperimenti di laboratorio di solito non corrispondevano alle condizioni al contorno assunte dalla teoria. Una lastra di laboratorio potrebbe avere un bordo arrotondato o una temperatura non uniforme, così gli investigatori negli anni '40, anni '50, e gli anni '60 spesso "aggiustavano" i loro dati per forzare l'accordo con questa teoria, " dice. Le discrepanze tra dati altrimenti buoni e questa teoria hanno portato anche a accesi disaccordi tra gli specialisti nella letteratura sul trasferimento di calore.

Lienhard ha scoperto che i ricercatori del ministero dell'Aeronautica britannico avevano identificato e risolto parzialmente il problema delle temperature superficiali non uniformi nel 1931. "Ma non erano in grado di risolvere completamente l'equazione che ne derivavano, " dice. "Ciò doveva aspettare fino a quando i computer digitali potevano essere usati, a partire dal 1949." Nel frattempo, le discussioni tra gli specialisti ribollivano.

Lienhard dice che ha deciso di dare un'occhiata alla base sperimentale per le equazioni che venivano insegnate, rendendosi conto che i ricercatori sanno da decenni che la transizione ha giocato un ruolo significativo. "Volevo tracciare i dati con queste equazioni. In questo modo, gli studenti potevano vedere quanto bene le equazioni funzionavano o meno, " ha detto. "Ho esaminato la letteratura sperimentale fino al 1930. La raccolta di questi dati ha reso qualcosa di molto chiaro:ciò che stavamo insegnando era terribilmente semplificato". a volte erano spenti.

Ora, con questa nuova analisi, ingegneri e studenti saranno in grado di calcolare con precisione la temperatura e il flusso di calore in un'ampia gamma di condizioni di flusso e fluidi, dice Lienhard.