7
CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI
7.1
Introduzione
In questo capitolo sarà brevemente riepilogato il lavoro svolto durante questa attività di tesi, cercando di mettere in evidenza gli aspetti più importanti dei problemi affrontati e i risultati più significativi che sono stati ottenuti.
Nella seconda parte del capitolo, si è inoltre cercato di tracciare una roadmap dei lavori ancora da svolgere per la modifica della galleria. Infatti, affinché la galleria possa effettivamente operare in modo continuo, importanti modifiche dovranno riguardare anche il sistema di alimentazione, il riscaldatore ad arco, il sistema di movimentazione dei provini, etc.
7.2
Conclusioni
Come più volte sottolineato nel corso della tesi, al fine di rendere possibile il funzionamento della galleria ipersonica in modo continuo, è necessario innanzi tutto provvedere ad un sistema di smaltimento del gas introdotto in camera. Attualmente infatti, l’aumento della pressione in camera risulta il limite principale per quanto riguarda la durata massima delle prove sperimentali. Si ritiene che, solo eliminando tale ostacolo, il tempo utile di prova possa essere esteso fino a circa 800 ms.
Affinché le pompe a vuoto possano evacuare la necessaria quantità di gas è essenziale che la sua densità sia sufficientemente elevata. Per questo motivo è stato studiato un sistema per la ricompressione del gas che prevede l’impiego di un diffusore supersonico convergente-divergente di forma conica e di uno scambiatore di calore a flussi incrociati con acqua come fluido refrigerante. Il compito principale del diffusore è quello di portare il flusso a velocità subsoniche con minime perdite di pressione totale. Ipotizzando che la compressione avvenga con urti obliqui nel convergente e con un singolo urto normale nel divergente, si è trovato che le prestazioni del diffusore migliorano tanto più quanto si riesce ad abbassare il numero di Mach al quale avviene l’urto normale. Tale valore del numero di Mach dipende sia dal numero di Mach nella gola, sia dalla posizione dell’onda d’urto. Le migliori prestazioni si avrebbero per un’onda d’urto
Progetto preliminare dell’impianto di recupero della pressione per una galleria ipersonica ad alta entalpia
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posizionata all’interno della gola, ma sperimentalmente è stato dimostrato che tale configurazione risulta instabile. Sulla base dei risultati del Capitolo 6, si è determinato che, per avere una sufficiente rigidezza contro le perturbazioni di pressioni all’uscita (di ampiezza pari al 10% del valor medio) è necessario che il numero di Mach dell’urto sia superiore di un 6% a quello nella gola.
Attraverso simulazioni numeriche, si è visto che il parametro che maggiormente influenza il numero di Mach nella gola è il rapporto delle aree del convergente. In particolare, sezioni di gola più piccole determinano minori valori del numero di Mach. Quando il diametro di gola diviene troppo piccolo, non è più possibile ottenere la configurazione con urti obliqui nel convergente e si ha la formazione di un’onda d’urto normale davanti all’imbocco del convergente. Questo fatto, impedendo di ridurre il numero di Mach nella gola oltre un certo valore, costituisce il principale limite alle prestazioni del diffusore. Nel range di valori di interesse pratico, si è trovato che il minimo valore ottenibile per il rapporto dei diametri è di poco inferiore a 0.34 (corrispondente ad un diametro di gola di circa 27 mm), per il quale si hanno numeri di Mach nella gola compresi tra 2.16 e 2.30.
Il gas in uscita dal diffusore possiede una temperatura ancora molto alta (oltre 1000 °C) e una densità relativamente bassa (circa 0.1 kg/m3). Mediante l’impiego
di uno scambiatore di calore è possibile abbassare la temperatura del gas e allo stesso tempo aumentare la sua densità. Ad esempio se si suppone che la temperatura del gas sia ridotta a 150 °C, la densità in uscita sarà all’incirca 0.4 kg/ m3, con un incremento del 400%. In queste condizioni, affinché sia garantito lo
smaltimento del gas, è richiesta una pompa con una portata volumetrica di poco inferiore a 70 litri al secondo.
7.3
Sviluppi futuri
Nel proseguimento dell’attività di sviluppo di HEAT, sarà innanzi tutto necessario convalidare sperimentalmente i risultati ottenuti per via teorica e numerica. In particolare sono già in fase avanzata di preparazione esperimenti sul convergente del diffusore. In questi esperimenti (si veda in proposito il paragrafo 5.5) si prevede di ricavare pressione totale e numero di Mach nella gola, al variare della dimensione della gola stessa (la variazione della dimensione di gola è effettuata attraverso inserti intercambiabili), per poi confrontarli con i valori predetti da NSC2KE.
Anche per quanto riguarda il tratto divergente saranno necessarie verifiche sperimentali, rivolte soprattutto allo studio dell’effettiva configurazione degli urti. Nel calcolo eseguito nel Capitolo 6 si è supposto, infatti, che la compressione avvenga con un singolo urto normale; in realtà questo tipo di soluzione è molto difficile da realizzare se non in condizioni particolarmente favorevoli (alti numeri di Reynolds, bassi angoli di divergenza del condotto). L’ottimizzazione della geometria del tratto divergente sarà certamente un problema cruciale per un buon funzionamento del diffusore. Ad esempio, se la compressione avviene con una serie di urti obliqui (si veda il paragrafo 4.2.3), sarà indispensabile che la lunghezza del
divergente sia sufficiente a permettere il completamento della compressione. A tale scopo alcuni autori (Errore. L'origine riferimento non è stata trovata.,Errore. L'origine riferimento non è stata trovata.) consigliano di inserire nel divergente un tratto a sezione costante (di lunghezza pari a 10.5 volte il diametro) in corrispondenza della sezione nella quale si intende posizionare l’urto.
I metodi di calcolo proposti nei capitoli precedenti, sono stati creati in modo da poter essere facilmente adattati a nuove configurazioni o integrati con nuovi modelli di attrito e scambio termico che si rivelino in miglior accordo con i dati sperimentali. In questo modo sarà possibile procedere parallelamente nello sviluppo dell’impianto sia per via teorica che per via pratica.
Una parte importante del problema, che in questa tesi non è stata affrontata, è il comportamento non stazionario dell’impianto. In particolar modo, dovrà essere studiata la fase di avvio della galleria ed il relativo comportamento dell’onda d’urto durante il transitorio iniziale. Un’altra classe importante di fenomeni non stazionari sarà legata alle perturbazioni, che possono interessare la pressione a valle, e alla conseguente risposta dell’impianto.
Infine, modifiche sostanziali dovranno essere apportate a vari altri componenti dell’impianto quali:
• il sistema di alimentazione del gas, che nella configurazione attuale non consente di allungare di molto i tempi di prova a causa del limitato volume dei serbatoi.
• il gas generator, che probabilmente, senza un sistema di raffreddamento degli elettrodi, andrebbe incontro a problemi di surriscaldamento.
• il sistema di posizionamento delle sonde e dei provini, che nella configurazione attuale presenta ingombri eccessivi, incompatibili con le esigenze del diffusore di intercettare la maggior quantità possibile di gas.
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Bibliografia del Capitolo 7
[1]. Shapiro, A.H. – “The Dynamics and Thermodynamics of Compressible Fluid Flow” – Ronald Press, New York, 1953.
[2]. Neumann, E.P., Lustwerk F., “Supersonic Diffusers for Wind Tunnels”, Journal of Applied Mechanics, Vol. 16, No. 2, 1949.
