Impatto del rapporto d'aspetto sulla dinamica del flusso d'aria

Lo studio di come gli oggetti interagiscono con il flusso d'aria è importante per capire diverse applicazioni, specialmente in ambienti urbani. Un oggetto del genere è un cilindro quadrato messo nel flusso d'aria, che può creare diversi schemi o "scie" dietro di sé. Questa comprensione è fondamentale per progettare edifici, pianificare consegne con droni e affrontare problemi di inquinamento nelle città. Qui ci concentriamo su come il Rapporto d'aspetto (l'altezza rispetto alla larghezza) del cilindro quadrato influisce sulla scia e sulla turbolenza nel flusso d'aria circostante.

#L'importanza dell'analisi delle scie

L'analisi delle scie si riferisce all'osservazione dei modelli di flusso che si sviluppano dietro un oggetto nel flusso d'aria. La forma e la dimensione di un oggetto possono cambiare questi modelli, influenzando come l'aria si muove intorno a esso. Nelle aree urbane, dove ci sono molti edifici, conoscere questi schemi può aiutare a prevedere come si disperdono gli inquinanti, assistere nella pianificazione delle rotte dei droni per le consegne e contribuire alla sicurezza urbana.

#Strato limite turbolento

Quando il flusso del vento interagisce con una superficie, come il suolo o un edificio, può creare uno strato limite. Questo strato si riferisce alla regione in cui il flusso d'aria è influenzato dall'attrito contro la superficie. All'interno di questo strato limite, la turbolenza, che è un flusso d'aria caotico e irregolare, gioca un ruolo significativo. Comprendere come si comporta la turbolenza vicino a edifici e strutture è essenziale per prevedere come si muoverà l'aria nelle città.

#Cilindro quadrato e rapporto d'aspetto

Nel nostro studio, abbiamo esaminato un cilindro quadrato posizionato contro il flusso d'aria. Il rapporto d'aspetto (AR) è la misura che definisce l'altezza del cilindro divisa per la sua larghezza. Ad esempio, un cilindro quadrato ha un AR di 1. Quando l'altezza aumenta mantenendo costante la larghezza, l'AR aumenta. Diversi AR possono portare a vari schemi di scia e influenzare come si sviluppa la turbolenza.

#Metodologia

Per analizzare le scie dietro il cilindro quadrato montato a parete, abbiamo utilizzato un metodo di simulazione al computer ad alta risoluzione noto come Large Eddy Simulation (LES). Questo metodo ci consente di osservare le caratteristiche del flusso in dettaglio. Abbiamo impostato la velocità del flusso d'aria e l'altezza del cilindro su valori specifici, variando l'AR da 1 a 4.

#Descrizione e configurazione della scia

La scia dietro il cilindro di solito consiste in diverse caratteristiche, tra cui vortici di punta (aria che vortica sulla parte superiore del cilindro), vortici di base (aria che vortica alla base) e vortici spanwise (strutture che si estendono da un lato all'altro). La configurazione della scia cambia a seconda dell'AR del cilindro.

• Bassi rapporti d'aspetto (AR 1 e 2): A rapporti d'aspetto più bassi, la scia tende ad essere più stabile e presenta una configurazione "dipolo", il che significa che l'aria si muove simmetricamente su entrambi i lati del cilindro con una singola zona di ricircolo dietro di esso.
• Alti rapporti d'aspetto (AR 3 e 4): Man mano che l'AR aumenta, la scia diventa più complessa e può presentare una configurazione "antisimmetrica" nota come Kármán vortex shedding. Questo significa che il flusso d'aria dietro il cilindro perde la sua simmetria e presenta schemi più caotici.

#Il ruolo dei vortici di punta e di base

I vortici di punta si creano all'estremità superiore del cilindro e possono portare a un forte flusso discendente nella scia. I vortici di base, d'altra parte, si generano alla base del cilindro e possono creare un flusso ascendete. Entrambi i tipi di vortici contribuiscono alla turbolenza vista nella scia:

• Per AR bassi: I vortici di punta sono deboli, e i vortici di base sono meno prominenti, portando a una scia più grande e stabile.
• Per AR alti: I vortici di punta diventano più forti, causando la contrazione della scia e creando due distinte zone di ricircolo.

#Energia cinetica turbolenta

L'Energia Cinematica Turbolenta (TKE) è una misura dell'energia presente nei flussi turbolenti. Nella nostra analisi, abbiamo osservato come la TKE varia attraverso diversi AR.

• A AR più bassi: La TKE tende a concentrarsi sopra il cilindro, principalmente a causa dei vortici di punta.
• A AR più alti: La distribuzione della TKE cambia, con picchi notevoli che si formano nell'area della scia, attribuiti a vortici di base più forti e interazioni complesse tra le strutture turbolente.

#Anisotropia e distribuzione della turbolenza

La turbolenza non si distribuisce uniformemente nelle diverse direzioni. Studiando l'anisotropia della turbolenza, possiamo visualizzare come la turbolenza varia nella scia.

• Caratteristiche tridimensionali: Man mano che l'AR aumenta, la distribuzione della turbolenza nella scia diventa più tridimensionale. Questo significa che l'energia nel flusso turbolento non è uniforme, ma varia in intensità a seconda della posizione rispetto al cilindro.

#Simulazioni e osservazioni

Le simulazioni hanno coinvolto diverse configurazioni a diversi AR. Per ogni configurazione, abbiamo raccolto dati sulle distribuzioni di velocità e sulle intensità della turbolenza.

• Visualizzazioni: Abbiamo creato rappresentazioni visive del flusso, aiutando a illustrare come i cambiamenti nell'AR influenzano la struttura della scia. Queste osservazioni hanno confermato il passaggio da una scia simmetrica a dipolo a AR bassi a strutture più caotiche e instabili a AR più alti.

#Impatti del rapporto d'aspetto sulla dispersione degli inquinanti

Comprendere la scia dietro un cilindro quadrato è particolarmente rilevante per le città con alti livelli di inquinamento.

• Distribuzione degli inquinanti: Il modo in cui il flusso d'aria e la turbolenza interagiscono con gli edifici può influenzare in modo significativo come si diffondono gli inquinanti. Ad esempio, configurazioni che creano un forte flusso discendente possono intrappolare gli inquinanti più vicino al suolo, influenzando la qualità dell'aria.
• Progettazione urbana: Le intuizioni ottenute da queste osservazioni possono informare una migliore pianificazione urbana e design degli edifici, minimizzando l'esposizione agli inquinanti per i residenti.

#Conclusione

In sintesi, il rapporto d'aspetto di un cilindro quadrato montato a parete gioca un ruolo critico nel modellare il flusso d'aria e i modelli di turbolenza intorno ad esso. La relazione tra AR e la configurazione della scia ci aiuta a capire come si comportano i flussi turbolenti, il che è essenziale per le applicazioni in ambienti urbani.

In futuro, ulteriori studi arricchiranno la nostra conoscenza di come altre caratteristiche geometriche e condizioni del flusso influenzano le dinamiche delle scie. Questa comprensione è cruciale per migliorare la sicurezza urbana, ottimizzare la gestione dell'inquinamento e perfezionare le rotte di consegna dei droni.