Campi acustici sonori

Nei primi lavori sull’intensificazione dello scambio termico mediante campi acustici, nello studio sul fenomeno di base, furono utilizzati dei campi sonori. Alcuni dei valori più elevati del fattore di intensificazione vengono ottenuti in questi lavori. Di seguito ne vengono analizzati tre.

4.2.1.1 The Local Heat-Transfer Coefficient Around a Heated Horizontal Cylinder in an Intense Sound Field [4]

In questo caso viene analizzata l’influenza che un intenso campo acustico ha sul coefficiente di scambio locale, in regime di convezione naturale con l’aria, intorno alla superficie di un cilindro orizzontale riscaldato elettricamente. L’esperimento viene effettuato in una camera anecoica, riproducendo quindi le condizioni di campo acustico non confinato. Il campo acustico è caratterizzato da una frequenza di 1500 𝐻𝑧 (che corrisponde ad una nota acuta del registro dei contralti) e da un livello di pressione sonora pari a 146 𝑑𝐵, ben oltre la soglia del dolore dell’orecchio umano. L’alta intensità è richiesta per attivare un fenomeno di intensificazione che altrimenti non si presenterebbe. Infatti, in un lavoro precedente gli stessi autori, in condizioni geometriche analoghe, in uno studio sulla visualizzazione del flusso mediante l’utilizzo di fumo, avevano evidenziato la possibilità di generare il vortex shedding mediante l’applicazione di un campo acustico di intensità 𝑆𝑃𝐿 > 140 𝑑𝐵. Al di sotto di tale intensità il fenomeno non si manifestava. Mentre raggiunta l’intensità di 146 𝑑𝐵 risultava completamente sviluppato.

Questo fenomeno viene chiamato thermo-acoustic streaming dagli autori del presente articolo. È una delle prime menzioni storiche del fenomeno dell’acoustic streaming descritto in precedenza.

Nelle prove sperimentali che vengono effettuate, il cilindro viene posto in modo tale che il piano verticale passante per il suo asse si trovi in un antinodo del campo acustico. Il cilindro è costituito da una sezione di misura e da una sezione di guardia. Nella sezione di guardia sono contenuti i riscaldatori. La sezione di misura è quella in cui vengono misurate le grandezze relative allo scambio termico. In entrambe le sezioni vengono

poste alcune termocoppie.

Ad ogni prova sperimentale il cilindro viene ruotato di 30°. In questo modo si ottengono 24 dati per ogni set di condizioni operative.

Questi dati danno un’idea

dell’andamento circonferenziale del

coefficiente di scambio. Si osserva un notevole incremento del coefficiente locale di scambio nella zona in cui si manifesta il vortex shedding (𝐹. 𝐼. fino a 13), mentre in corrispondenza del punto di ristagno del flusso si hanno incrementi molto più contenuti e in alcune zone si osserva addirittura un decremento del coefficiente di scambio. Dal punto di vista del coefficiente globale di scambio (ottenuto

Figura 25 Visualizzazione del flusso a diverse intensità (a destra, SPL≥ 146 𝑑𝐵)

integrando quello locale) si ottiene 𝐹. 𝐼. = 1.7 − 2.1. Un aspetto di cui tener conto è che il risultato è influenzato dal diametro del cilindro. Non solo perché esso ostacola fisicamente il flusso, ma anche perché la capacità termica del cilindro influenza in modo sostanziale la distribuzione delle temperature sulla sua superficie allo stazionario. La quale a sua volta influenza il flusso e l’incremento del coefficiente di scambio. La capacità termica del cilindro influenza cioè in modo non lineare il problema.

Fluido Tipo di convezione Tipo di flusso Condizioni operative del fluido Geometria e materiale della superficie di scambio Caratteristiche del campo acustico 𝑭𝑰 (*)

Aria Naturale Laminare 𝑇 = 20 °𝐶; 𝑝 = 1 𝑏𝑎𝑟; Cilindro in rame argentato lucidato Campo sonoro stazionario, 𝒇 = 𝟏𝟓𝟎𝟎 𝑯𝒛; generazione acustica; si ha un antinodo in corrispondenza dell’asse del cilindro; simulazione di

un ambiente infinito mediante l’utilizzo di una

camera anecoica; 𝐹𝐼 𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙𝑒 > 1 quasi ovunque; picchi di 3,5 nella parte superiore e di 13 in quella inferiore 𝑭𝑰 𝒈𝒍𝒐𝒃𝒂𝒍𝒆 = 𝟏, 𝟕 − 𝟐, 𝟏 (**) Tabella 2

(*) Il Fattore di Intensificazione riportato in questo articolo sarebbe il più elevato riportato in letteratura (13); in realtà si tratta del massimo del Fattore di Intensificazione locale che varia da un numero minore di 1 fino a quel valore;

(**) Il rapporto tra i coefficienti globali di scambio viene ricavato a partire dalla tabella 2 dell’articolo.

4.2.1.2 The Effect of Vibration on Natural Convective Heat Transfer [5]

Lo scambio convettivo avviene in regime di convezione naturale. Il campo sonoro viene generato dalle oscillazioni dell’armatura di un interruttore elettrico di tipo buzzer. Essa viene posta in contatto con un filo di Nicromo (lega di Nichel e Cromo) elettricamente riscaldato. Il filo viene posto quindi in oscillazione ad un’ampiezza regolabile tramite le grandezze elettriche in ingresso al buzzer e ad

una frequenza regolabile variando la tensione del filo. La configurazione è la seguente:

Vengono misurate l’ampiezza e la frequenza delle oscillazioni del filo, oltreché la differenza di temperatura tra il filo e l’ambiente circostante. Si osserva che la forma d’onda vibrazionale è essenzialmente sinusoidale. L’ambiente circostante è una stanza di dimensioni molto maggiori rispetto al sistema di interesse e quindi il campo acustico può essere considerato non confinato. La potenza acustica ceduta al filo dal buzzer è trascurabile rispetto ai flussi termici in gioco e quindi rispetto alla potenza elettrica che viene fornita al filo. Durante le prove vengono utilizzati fili di diversi diametri, viene fatta variare tra 4° 𝐶 𝑒 200 °𝐶 la differenza di temperatura tra filo e ambiente circostante (le cui condizioni non sono specificate – si assume 𝑇 = 20 °𝐶 e 𝑃 = 1 𝑎𝑡𝑚), vengono variate l’ampiezza e la frequenza delle oscillazioni del filo. La frequenza delle oscillazioni viene fatta variare tra 39 e 122 Hz. I risultati dell’articolo sono riportati in alcuni grafici che mostrano l’andamento del fattore di intensificazione con la frequenza e con l’ampiezza al

variare della temperatura.

Figura 27 Filo di Nicromo posto in tensione ed eccitato tramite un buzzer

In definitiva il coefficiente di scambio aumenta all’aumentare della frequenza e dell’ampiezza e l’effetto dell’incremento di frequenza è maggiore, ragionevolmente, per ampiezze maggiori. A parità di ∆𝐴 e ∆𝑓, si hanno incrementi del coefficiente di scambio minori in corrispondenza di ∆𝑇 maggiori. Nell’articolo vengono proposte varie correlazioni tra l’incremento del coefficiente di scambio (𝐹. 𝐼. −1) e i vari gruppi adimensionali coinvolti nell’analisi adimensionale del fenomeno. La più semplice coinvolge un numero di Reynolds modificato che come lunghezza caratteristica non ha il diametro del filo, ma la somma di questo e dell’ampiezza delle oscillazioni:

𝑅𝑒_𝑠 = (𝐷 + 𝐻)𝑣𝜌

𝜇 ; 𝑣 = 2𝐻𝑓 (27)

𝐹. 𝐼. −1 = 0.00265 𝑅𝑒𝑠2.13 (28)

In definitiva si è di fronte ad una correlazione del tipo: 𝐹. 𝐼. −1 = 𝑘 ∙ 𝑅𝑒2 (29)

L’approssimazione degli esponenti, per ragioni di semplicità, non è infrequente in questo tipo di analisi (viene effettuata ad esempio nella curva di Nukiyama che descrive il pool boiling[13]). La maggior parte delle prove sperimentali conducono ad incrementi del coefficiente di scambio superiori al 10 %. Nei casi più favorevoli (elevate ampiezze e frequenze e bassi ∆𝑇) si raggiungono incrementi del 300 %, ovvero 𝐹. 𝐼. = 4.

Fluido Tipo di convezione Tipo di flusso Condizioni operative del fluido Geometria e materiale della superficie di scambio Caratteristiche del campo acustico 𝑭𝑰

Aria Naturale Laminare 𝑇 = 20 °𝐶; 𝑝 = 1 𝑏𝑎𝑟;

Filo in lega di Nichel e Cromo Campo sonoro; 𝒇 = 𝟑𝟗 − 𝟏𝟐𝟐 𝑯𝒛; generazione meccanica; 𝐹𝐼 = 1.03 − 4 (𝐹𝐼 è quasi sempre > 1.1) Tabella 3

4.2.1.3 Free convection, forced convection, and acoustic vibrations in a constant temperature vertical tube [14]

Nell’articolo viene esaminato l’effetto di un campo sonoro sulla convezione naturale combinata con quella forzata. L’apparato sperimentale quello mostrato in figura. La sezione di prova, che consiste in un tubo di ottone lungo 151.4 𝑐𝑚 di diametro pari a 10.2 𝑐𝑚, è circondata da un tubo di diametro pari a 20.3 𝑐𝑚. Del vapore viene immesso nella sezione anulare tra i due tubi e condensa sulla superficie esterna del tubo di ottone. Il condensato viene raccolto da dieci collettori equidistanti disposti lungo il

tubo. Il condensato viene poi rimosso attraverso dei tubicini

di gomma che passano

attraverso la flangia inferiore dell’apparecchiatura, viene inviato a delle coppe di trasferimento e quindi a delle

burette. Un ventilatore

centrifugo invia aria ambiente in una camera, dalla quale essa fluisce verticalmente nella sezione di prova. Infine, l’aria esce dalla sezione di prova

attraverso un’altra camera posta sulla sua sommità. L’apparecchiatura è stata ideata inizialmente per ottenere dati sullo scambio termico in assenza di suono. Per ottenere il campo sonoro, viene utilizzato un oscillatore audio, il quale genera un segnale a frequenza regolabile che viene amplificato da un amplificatore convenzionale e inviato ad un altoparlante. La frequenza viene scelta pari a 520 𝐻𝑧.

I dati misurati in ciascuna prova sperimentale sono i seguenti:

1. I livelli dell’acqua nelle 10 burette (forniscono una misura del calore trasferito in ciascun segmento del tubo)

2. Le temperature dell’aria in ingresso e in uscita dalla sezione di prova e la sua portata

3. La pressione del vapore

4. La frequenza, la potenza e il livello di pressione sonora (SPL)

I risultati indicano un incremento sensibile del coefficiente di scambio quando il livello di pressione sonora è superiore a 118 𝑑𝐵. SI osservano incrementi fino al 100 % rispetto ai valori in assenza di campo acustico. Fluido Tipo di convezione Tipo di flusso Condizioni operative del fluido Geometria e materiale della superficie di scambio Caratteristiche del campo acustico 𝑭𝑰 Aria/ Vapore Forzata (tubo)/ Naturale (sezione anulare) Turbolento Aria → 𝑃 = 1𝑎𝑡𝑚; 𝑇 = 35 °𝐶 Vapore → 𝑃 = 1𝑎𝑡𝑚; 𝑇 = 100 °𝐶 Cilindro in ottone Campo sonoro; 𝒇 = 𝟓𝟐𝟎 𝑯𝒛; generazione acustica; Oltre i 118 𝑑𝐵 si hanno valori di 𝐹𝐼 apprezzabilmente maggiori di 1, fino al valore massimo 𝑭𝑰 = 𝟐 Tabella 4