Fisica- Appunti dinamica fluidi

Dinamica dei fluidi reali

Tipi di moto nei fluidi

Il moto di un fluido reale in una condotta può avere un andamento:

• Laminare: a strati sovrapposti, dove la linea di flusso indica che la velocità è massima al centro. Man mano che ci dirigiamo verso le pareti, il vettore velocità inizia a diminuire. Quindi si ha un profilo ben definito, ad esempio negli acquedotti.
• Turbolento: quando a seguito della maggiore velocità le particelle del fluido hanno andamento irregolare, creando micro-vortici e il moto non avviene a strati. Il profilo della velocità diventa meno pronunciato, la velocità al centro e in prossimità delle pareti è paragonabile, non è così differente, come quando riempiamo una vasca e poi togliamo il tappo.
• Moto instabile: il fluido nel suo scorrere passa in modo casuale dal moto turbolento al moto laminare in continuazione; non si conoscono le perdite di carico.

Cosa accade nella realtà?

Nella realtà, quando abbiamo un moto laminare, vediamo che la linea centrale delle palline blu va più velocemente e trascina le palline che stanno sulla parete in direzione verso l'alto e verso il basso, che vanno più rapidamente. Nei moti turbolenti, come gli uragani, abbiamo masse di fluidi e gas che si muovono creando dei vortici.

Come si fa a capire se siamo in presenza di moti laminari o turbolenti?

Esperimento di Reynolds

L'esperimento di Reynolds, piuttosto semplice, usa acqua in un serbatoio e come stratagemma si usa un iniettore di inchiostro e poi si fa uscire l’acqua da una parte.

Cosa si può osservare?

Variando la sezione del tubo, la velocità di scorrimento del fluido può variare. Quindi la goccia di inchiostro dell’iniettore ha lo scopo di farci visualizzare il comportamento fluido dinamico del nostro sistema. Avremo un segnale di inchiostro differente a seconda che il moto sia laminare (la goccia persiste in un unico strato) o turbolento (osserveremo un quadro più confuso). Se vi è un moto laminare, l’inchiostro va come una retta più o meno parallela al condotto, retta ben precisa; nel moto turbolento, l’inchiostro ha un andamento più confuso e si mescola con l’altro fluido.

Determinanti del moto del fluido

Durante l’esperimento, Reynolds osservò quattro grandezze fisiche che determinavano il moto del fluido:

• Velocità di scorrimento del fluido
• Sezione del fluido
• Densità del fluido
• Viscosità dinamica del fluido

Confrontando a due a due queste quattro grandezze, Reynolds dedusse dallo studio dei relativi grafici che erano tutte legate fra loro secondo una precisa legge da cui viene il nome di numero di Reynolds. La distinzione fra i moti dipende quindi da fattori come velocità, densità, viscosità, diametro del condotto.

Numero di Reynolds

Reynolds raggruppò questi fattori in una espressione detta numero di Reynolds:

• Re < 2100: il moto è laminare.
• Re > 4300: il moto è turbolento.
• 2100 < Re < 4300: potremo avere sia moto laminare sia moto turbolento.
• 2500 < Re < 3500: avremo moto instabile.

ρ = densità in Kg/m³, v = velocità m/s, D = diametro in m, μ = viscosità in N·s/m².

Viscosità

Se vado a rovesciare su una superficie solida acqua o olio, l’acqua si dispone in modo uniforme sul piano, mentre l’olio no, tende ad accrescere nello stesso punto in cui lo rovescio e poi ad espandersi sul piano.

In una scala di viscosità vediamo che:

• Acqua è in basso sulla scala di viscosità.
• L’olio per il motore non è molto fluido.
• Glicerina, sciroppo, miele (fluido ad altissima viscosità).

La viscosità è correlata all’attrito delle molecole del fluido.