4. FASE SPERIMENTALE
4.1 Introduzione
La fase sperimentale comprende l’acquisizione e l’elaborazione di filmati per lo studio del comportamento della bolla di azoto in contatto con la superficie libera del fluido.
L’acquisizione dei dati avviene grazie ad una telecamera ad alta velocità ( paragrafo 3.2.1.) che offre, grazie al sistema ottico di visione progettato (paragrafo 3.3), la possibilità di osservare il meccanismo di coalescenza da due punti di vista. Le prove sono state eseguite variando i seguenti parametri:
• il fluido interagente con la bolla per variare le proprietà fisiche dello stesso,
• il diametro dell’ugello emettitore per studiare l’influenza del diametro delle bolle nel fenomeno,
• la distanza dell’ugello dalla superficie libera per valutare il fenomeno al variare della velocità di impatto della bolla con la superficie,
• la portata del gas per studiare l’influenza dell’interazione tra bolle consecutive.
Ottenuti i filmati, questi vengono processati tramite un programma in Matlab, al fine di costruire i grafici per completare l’analisi quantitativa della fase sperimentale.
4.2 Procedura seguita nelle esperienze e variazione parametri
La scelta di questi liquidi è significativa in quanto permette di quantificare, a fine esperienze, quale sia il comportamento dell’azoto in fluidi che hanno un valore di densità e viscosità superiore o inferiore a quella dell’acqua, ed inoltre, studiare il comportamento di fluidi quali FC72 e HFE7100 risulta interessante per il fatto che sono molto utilizzati nel raffreddamento di componenti elettronici.
In Tab.3.1 sono riportate le principali caratteristiche fisiche dei fluidi a 20°C e pressione atmosferica: tensione superficiale σ, densità del fluido ρ, viscosità cinematica μ
N° identificativo FLUIDO FORMULA MOLECOLARE σ a 20°C m(N/m) μ a 20°C (mPas) ρa 20°C (kg/m³) 1 FC-72 C6F14 0.012 0.68 1670 2 Acqua distillata H2O 0.0736 1 998 3 Alcool Etilico C2H5OH 0.0223 1.52 789 4 HFE-7100 C4F9OCH3 0.014 0.57 1492 5 Glicol etilenico C2H6O2 0.048 16,1 1110
Tab. 4.1 – Tabella dei fluidi
Le prove vengono eseguite secondo una precisa procedura, le cui operazioni sono riportate in sequenza:
• preparazione e pulizia della vasca,
• introduzione del fluido di prova previo filtraggio,
• regolazione degli specchietti e messa a fuoco della telecamera,
• bloccaggio del sistema di visione nella posizione ottimale precedentemente individuata, • misura della temperatura del fluido,
• acquisizione dell’immagine di un oggetto di riferimento al fine di determinare il fattore di scala,
• acquisizione immagini e filmati, al variare della portata di azoto, • rielaborazione filmati con software.
per evitare eventuali perdite di liquido durante le prove. La vasca, prima di procedere alle prove con un altro fluido, viene sempre svuotata, pulita e asciugata, in modo da esser predisposta per accogliere senza contaminazioni il liquido successivo.
Le prove sono state eseguite, per ogni liquido preso in considerazione, variando la distanza tra ugello e superficie libera del liquido: sono state condotte prove per 15mm, 12mm, 9mm, e 6mm. Introdotto il fluido, è essenziale posizionare la telecamera ad una distanza corretta e metterla a fuoco osservando nel monitor LCD le bolle che interagiscono con il liquido.
Dopo aver cercato, anche con molti tentativi e notevole dispendio di tempo, l’immagine migliore si provvede a bloccare la telecamera e gli specchietti per fissare nella configurazione ottima il sistema di visione. Tale operazione, per permettere di ottenere immagini ottime ad ogni altezza del liquido, deve essere ripetuta ogni volta, al variare di questo parametro. Per ogni altezza di prova si esegue una foto (figura 4.1) di un oggetto di dimensioni note, utilizzato come riferimento durante il processamento delle immagini. Tale riferimento tornerà utile in seguito per ottenere il fattore di scala (pixels/mm) con cui calcolare dimensioni e forma e delle bolle, in particolare. Il file così salvato verrano denominati secondo la logica che segue: tipo di fluido-giorno-mese-diametro ugello-distanza tra ugello e superficie del liquido-portata. Di seguito si riporta la denominazione del file di background relativo al fluido FC-72 nella prova del 23 gennaio con diametro dell’ugello pari a 0.3mm e una distanza di 15mm: 123010315bg.bpm.
Fig. 4.1 Oggetto di riferimento
Da questo momento è importantissimo non variare più alcun parametro della telecamera né degli specchietti, altrimenti il riferimento all’oggetto fotografato risulterebbe inutile. Gli ulteriori parametri che vengono variati con l’avanzare delle prove sono il diametro dell’ugello e la portata di azoto. Per ogni altezza riportata in tabella 4.1 sono state acquisite immagini con ugelli da 0.1mm e 0.3 mm e per portate di gas pari a 0.5 e 1.5 V. La conversione della portata da unità eletrriche a tecniche si rimanda al paragrafo 3.4.3.
4.2.2. Acquisizione dati
Per ogni prova effettuata deve essere riempita una tavola come quella riportata sotto in tabella 3.2, relativa al fluido FC-72, per l’esperienza effettuata con l’ugello di diametro 0,3mm.
Dopo aver catturato l’immagine con l’oggetto di riferimento ad una certa altezza, si acquisisce il filmato alla portata minore e successivamente alla portata maggiore. Questo procedimento viene ripetuto per ogni altezza presa in esame. Pertanto ogni fluido di prova avrà la sua tabella di riferimento.
Tf L [mm] Portata [Volt] file
25,7° 15 0,5 12301031505 26,8° 15 1,5 12301031515 28,1° 12 0,5 12301031205 27,6° 12 1,5 12301031215 25,6° 9 0,5 12301030905 25,7° 9 1,5 12301030915 26,9° 6 0,5 12301030605 26,1° 6 1,5 12301030615
Tab. 3.2 - tabella relativa al fluido FC-72 per le prove svolte
Nella voce file (*.cin) si inserisce il nome dato al file del filmato registrato codificato secondo la logica spiegata al paragrafo 4.2. Alla voce Tf si inserisce la temperatura del fluido, letta grazie alla termocoppia, al momento della registrazione del filmato. La portata, invece, si riporta in Volt essendo letta su un voltmetro collegato al gruppo di regolazione.
La descrizione in dettaglio delle operazioni da eseguire ad ogni prova è riportata di seguito: • si libera la memoria della telecamera, che può contenere circa 4 secondi di registrazione; • si regola la portata del gas tramite una manopola cercando di far avvicinare il valore della
tensione applicata al regolatore di portata al valore desiderato; • stabilizzata la portata si fa partire la registrazione delle immagini; • si verifica la qualità delle immagini;
• terminate le registrazioni si osservano le immagini per stabilire il numero di fotogrammi utili da salvare (in genere si prendono fotogrammi sufficienti ad osservare almeno un rimbalzo delle bolle sulla superficie) e successivamente si salva il file in formato *.cin; • si compilano le ultime due voci della tabella precedentemente descritta.
La sequenza di operazioni viene eseguita per ogni fluido in esame. In particolare per i fluidi meno viscosi sono sufficienti 500 fps pari ad un tempo di prova di 0.5s; mentre fluidi più viscosi hanno richiesto il salvataggio di tutto il periodo di registrazione della telecamera pari a circa 4 secondi. In figura 4.3 si riporta a titolo di esempio un’immagine tipica acquisita dalla telecamera. Essa contiene due visuali: sulla sinistra vediamo la bolla raggiungere la superficie dal basso, mentre sulla destra vediamo la deformazione della superficie dall’alto.
4.2.3 Elaborazione dati
Una volta acquisite i filmati si provvede a salvare tali dati sul PC e si passa alla elaborazione dati.Inizialmente si scompongono i filmati con estensione *.cin in fotogrammi con estensione *.tif (immagini TIF 24) al fine di ottenere, tramite un programma di calcolo implementato in ambiente Matlab,la velocità di impatto della bolla. Pertanto ogni fotogramma relativo al solito film viene salvato in una cartella insieme alla foto dello sfondo fatta ad inizio prova. Al file misbolla.m è necessario fornire in imput:
• il nome del file del filmato,
• il primo fotogramma da cui iniziare l’analisi, • l’ultimo fotogramma interessato all’analisi, • il fattore di scala relativo a quel filmato,
Fig. 4.3 – Immagine di un fotogramma di un filmato acquisito • la soglia di bianco per l’identificazione del contorno,
• il confine destro della zona dell’immagine di interesse • il confine sinistro della zona dell’immagine di interesse, • confine alto della zona dell’immagine di interesse, • confine basso della zona dell’immagine di interesse.
In uscita il programma restituisce un file, in formato *.txt , nel quale sono riportati per ogni frame esaminato i seguenti dati:
• il numero di oggetti (bolle) presenti, • il diametro equivalente
• l’errore statistico sul diametro equivalente,
• le coordinate del baricentro della bolla, rispetto al sistema di riferimento sinistrorso situato in alto a sinistra dell’immagine,
• l’area della bolla,
• il volume medio della bolla, • l’errore sul volume medio, • asse maggiore,
• asse minore.
Successivamente si fa eseguire un secondo file Matlab, velbolla.m, che in imput richiede proprio i dati contenuti nel precedente file e restituisce in output il grafico della velocità della bolla in funzione della coordinata verticale. Di seguito si riporta in figura 4.4 il grafico relativo al caso dell’alcol etilico per una bolla emessa dall’ugello con diametro 1mm, alla portata di 28,6mm3/s, che percorre una distanza di 6mm prima di incontrare la superficie libera. Dalla figura seguente si può stimare un valore plausibile della velocità di impatto assunta in questo caso pari a circa 200mm/s. Ottenuta la velocità di impatto relativamente a quella prova si elabora in un foglio di lavoro elettronico i grafici relativi all’andamento del tempo di coalescenza in funzione della velocità di impatto.
Fig. 4.4 – Andamento della velocità in funzione della coordinata verticale relativa al file 3280110605
Osservando la figura si vede che fino ad 1mm la bolla rimane attaccata all’ugello pertanto la sua velocità cresce molto lentamente (A).Il distacco è evidenziato dai punti indicati con la lettera B, e avviene per circa 1,5mm; Successivamente la velocità della bolla cresce fino a quando la bolla impatta con la superficie (C). Per questa prova non si raggiunge la velocità di regime (zona D) a causa della piccola distanza percorsa (6mm).Raggiunta la superficie, la bolla oscilla rimbalzando su essa e pertanto il cambia il segno del valore della velocità (E).
