Vedere l’Invisibile: Fluidi 4D Sotto la Lente con un Adattatore Hi-Tech!

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di una sfida che, nel mio campo, è un bel grattacapo: capire come si muovono i fluidi, specialmente quando ce ne sono di diversi tipi tutti insieme (liquidi, gas, a volte anche solidi) dentro tubature complesse. Pensate alle industrie chimiche, petrolifere, o anche alimentari: un flusso che non va come dovrebbe può causare problemi enormi, da blocchi a inefficienze, fino a rischi per la sicurezza. E il bello è che spesso queste tubature non si possono mica aprire per dare un’occhiatina!

Il Problema: Simulazioni vs. Realtà

Per studiare questi flussi multifase, di solito abbiamo due strade: le simulazioni al computer (la fluidodinamica computazionale, o CFD) e gli esperimenti in laboratorio. Le simulazioni sono potentissime, ma la loro accuratezza dipende tantissimo da come impostiamo il modello. Se non teniamo conto delle vere condizioni del tubo – magari un po’ corroso all’interno, o con qualche piccola deformazione – i risultati possono essere, diciamo, “ottimistici” e non rispecchiare la realtà. D’altro canto, gli esperimenti possono essere complicati da allestire, e ottenere dati precisi dall’interno di un flusso senza disturbarlo non è affatto banale. Molti metodi “invasivi” (che entrano fisicamente nel flusso) ne alterano il comportamento. Quelli “non invasivi”, come ultrasuoni o raggi X, sono meglio ma spesso ci danno solo un’immagine 2D, un po’ limitante.

La Nostra Idea Geniale: l’Adattatore In-Situ

E qui entra in gioco la nostra pensata! Ci siamo detti: e se potessimo creare un “ambiente di test” piccolo, controllabile, che replica le condizioni complesse, e che possiamo ficcare direttamente dentro a strumenti di imaging avanzati? Così è nato il nostro adattatore in-situ. Immaginate una piccola camera per fluidi, compatta e portatile, che possiamo montare con diversi sistemi di imaging contemporaneamente. La chicca? L’abbiamo progettata in modo che possa entrare in uno scanner a Tomografia Computerizzata (TC) a raggi X industriale. E non è finita: l’abbiamo dotata di un’app Android per controllare il flusso del fluido al suo interno, anche mentre è sotto scansione!

Questo adattatore ci permette di fare due cose fondamentali:

• Ottenere immagini TC super precise delle vere superfici interne dei canali del fluido. Niente più geometrie idealizzate! Queste informazioni le diamo in pasto al software di simulazione (noi usiamo ANSYS) per creare un ambiente virtuale fedelissimo.
• Acquisire il profilo del fluido multifase (ad esempio, la distribuzione di bolle d’aria in un gel) nell’istante esatto prima che il flusso inizi. Questa è la condizione iniziale perfetta per la nostra simulazione.

Praticamente, diamo alla simulazione degli “occhi” sulla realtà!

Due Occhi Sono Meglio di Uno: TC a Raggi X e Tomografia a Impedenza Elettrica (EIT)

Per “vedere” dentro il nostro adattatore, usiamo principalmente due tecniche di imaging non invasivo:

1. Tomografia Computerizzata (TC) a raggi X: È un po’ come la TAC che si fa in ospedale. Ci dà immagini tridimensionali ad alta risoluzione basate su come i materiali assorbono i raggi X. È fantastica per vedere la struttura interna e la distribuzione delle fasi fluide, ma ha i suoi contro: è relativamente lenta perché sorgente e detector devono ruotare, e le apparecchiature sono costose e richiedono schermature per le radiazioni.
2. Tomografia a Impedenza Elettrica (EIT): Questa tecnica misura la distribuzione della conduttività elettrica all’interno di un oggetto. Si applica una piccola corrente tramite elettrodi posti sulla superficie e si misurano le tensioni risultanti. L’EIT è super veloce (parliamo di microsecondi per scansione!), economica e non usa radiazioni ionizzanti. Lo svantaggio? La risoluzione spaziale non è paragonabile a quella della TC.

Nel nostro studio, abbiamo montato sensori EIT e abbiamo usato la TC sullo stesso adattatore, a volte anche sulla stessa sezione trasversale, per confrontare i dati. L’adattatore è abbastanza piccolo da poter essere inserito in diverse configurazioni sperimentali, rendendolo incredibilmente versatile.

I Risultati: Quando la Simulazione Incontra la Realtà (e Funziona!)

E i risultati? Beh, sono stati davvero incoraggianti! Le simulazioni CFD, nutrite con i dati reali ottenuti dalla TC (sia per la geometria del canale che per le condizioni iniziali del fluido), hanno mostrato un accordo con i risultati sperimentali (sia da TC che da EIT) che va dall’85% al 98%. Questo è un passo avanti enorme per l’accuratezza delle simulazioni!
Abbiamo misurato principalmente due parametri: la distribuzione spaziale delle fasi e la frazione di volume d’aria (cioè, quanto spazio è occupato dall’aria rispetto al fluido).
Un aspetto interessante è che abbiamo “deformato” apposta un tubicino di silicone all’interno dell’adattatore, creando una piega. Questa irregolarità, difficile da modellare a mano in CAD, è stata catturata perfettamente dalla TC e inclusa nella simulazione, migliorandone il realismo.
Abbiamo usato una miscela di gel disinfettante per le mani e aria. Questo mix è abbastanza viscoso da far sì che le bolle d’aria mantengano la loro forma più a lungo mentre si muovono, il che è ottimo per l’imaging.

EIT: Un’Alternativa Promettente?

Una delle scoperte più interessanti è che l’EIT, nonostante la sua risoluzione spaziale inferiore, si è dimostrata molto valida. I profili di flusso ottenuti con l’EIT (basati sulla conduttività) corrispondevano bene a quelli ottenuti con la TC (basati sull’attenuazione di massa). Questo è importante perché l’EIT è molto più veloce della TC. La TC industriale tipica richiede la rotazione del campione o del sistema sorgente-detector, limitando la sua capacità di catturare fenomeni fluidi rapidi. L’EIT, invece, non ha bisogno di rotazioni perché gli elettrodi sono già distribuiti attorno all’oggetto.
Questo significa che per studiare flussi più veloci, o quando il tempo è un fattore critico, l’EIT potrebbe sostituire la TC per “assistere” le simulazioni CFD. Certo, si perde un po’ di risoluzione spaziale, ma si guadagna in velocità, economicità e praticità (niente schermature ingombranti!).

Cosa Abbiamo Imparato e Prospettive Future

Questo lavoro ci ha insegnato parecchio. L’adattatore in-situ è una vera e propria manna dal cielo per studiare flussi multifase in laboratorio in modo controllato e replicabile. Ha reso possibile:

• Fornire alle simulazioni CFD condizioni al contorno e iniziali incredibilmente realistiche, prese direttamente dal mondo reale.
• Confrontare fianco a fianco diverse modalità di imaging non invasivo sulla stessa sezione di flusso.
• Dimostrare che l’EIT è un candidato forte per l’imaging di flussi dinamici, offrendo un buon compromesso tra accuratezza e velocità/costo.

Certo, c’è ancora da fare. Ad esempio, il nostro metodo per stimare la frazione di volume d’aria è buono, ma potrebbe essere ulteriormente migliorato usando tecniche di intelligenza artificiale. E in futuro, vorremmo provare a fare simulazioni ANSYS usando direttamente i dati EIT come input, così come abbiamo fatto con i dati TC.
In conclusione, combinare l’imaging non invasivo avanzato con un design intelligente come il nostro adattatore in-situ apre nuove strade per capire e prevedere il comportamento dei fluidi. È un po’ come aver dato dei superpoteri ai nostri modelli computerizzati, permettendogli di “vedere” il mondo reale con una precisione mai vista prima. E questo, credetemi, è solo l’inizio!

Fonte: Springer