Test criogenici di turbolenza

La commissione francese per le energie alternative e l’energia atomica (CEA) utilizza un giunto rotante elettrico (collettore rotante) appositamente ideato da Servotecnica per i test criogenici di turbolenza nell’ambito dell’esperimento SHREK (Superfluid High REynolds von Kármán). Il collettore rotante di Servotecnica doveva essere in grado di trasmettere segnali di misura della coppia in modo tale che la coppia di attrito delle spazzole sugli anelli non influisse sulle misurazioni.

CEA ha un ruolo preminente nel campo della ricerca, dello sviluppo e dell’innovazione, principalmente in quattro aree: difesa e sicurezza, energie a bassa emissione di anidride carbonica (nucleare e rinnovabili), ricerca tecnologica per l’industria e ricerca fondamentale nella fisica e nelle bioscienze. Collabora attivamente a progetti che coinvolgono diversi partner accademici e industriali apportando la propria competenza. L’organizzazione dispone di nove strutture sul territorio francese dove collabora con numerosi altri enti di ricerca, autorità locali e università.

CEA sta attualmente conducendo ricerche nell’ambito della turbolenza, un fenomeno molto importante per applicazioni pratiche. I problemi causati dalla turbolenza sono svariati e tale varietà deriva da una mancanza di comprensione del fenomeno a livello generale. Mentre pressione, temperatura e densità sono sufficienti per descrivere lo stato di riposo di un gas, nonostante l’inestricabile complessità delle collisioni molecolari, una semplice ipotesi come il caos molecolare non si applica alla turbolenza, per la quale sono necessari calcoli completi del campo della velocità. Se fosse possibile evitare tali calcoli e sostituirli con un campionamento casuale che dispone di tutte queste correlazioni, il risparmio di tempo sarebbe enorme. Ed è proprio tale potenziale beneficio che ha spinto CEA ad avviare questa ricerca.

Nel reparto CEA che si occupa delle basse temperature (SBT), è stato realizzato un apparecchio speciale per studiare la turbolenza da valori di temperatura ambiente a valori bassissimi fino a 1,6 °K (in elio liquido). In una cella cilindrica di 1,16 m di altezza e 0,78 m di diametro viene creato il flusso di von Kármán. In particolare, il flusso viene generato da due dischi palettati di 0,72 m di diametro ciascuno. Al fine di eseguire misurazioni accurate, un torsiometro a freddo è posizionato il più vicino possibile alla girante.

L’esperimento SHREK necessita di dispositivi di misura precisi e complessi che, in genere, non sono disponibili come soluzioni standard. È quindi necessario ricorrere a sistemi progettati appositamente, come nel caso del suddetto torsiometro a freddo: si tratta essenzialmente di un torsiometro industriale modificato per funzionare alle temperature straordinariamente basse tipiche degli esperimenti criogenici.

I valori molto bassi rilevati dal torsiometro a freddo non dovevano in alcun modo essere influenzati dalla coppia dei componenti del gruppo cinematico, come ad esempio i cuscinetti o le scatole di ingranaggi. Per questo motivo, SBT ha deciso di sviluppare un proprio torsiometro a freddo con componenti meccanici ed elettrici ottimizzati per operare a basse temperature. Tra questi, lo speciale collettore rotante ha la funzione di trasmettere segnali di misura della coppia non influenzati dall’attrito fra anello e spazzola.

Servotecnica ha elaborato le specifiche di un collettore rotante personalizzato senza telaio e costituito soltanto da 12 anelli in ABS, albero e portaspazzole; il cuscinetto è stato eliminato in quanto il grasso lubrificante non avrebbe potuto resistere alle basse temperature (è stata pertanto adottata una soluzione alternativa). Inoltre, i fili del collettore rotante sono stati isolati con il Teflon. Questa soluzione economicamente vantaggiosa ha reso possibile un’integrazione rapida e agevole nell’apparecchio usato per l’esperimento SHREK.

Per quanto riguarda le prestazioni del collettore rotante, le prime prove a 4,2 °K (-269 °C) hanno evidenziato un funzionamento normale per un’ora a una velocità di rotazione massima di 90 giri/min. E soprattutto non hanno rilevato alcun degrado del materiale.

La scelta del materiale di contatto è essenziale per le prestazioni dei collettori rotanti. Un’adeguata resistenza alla corrosione è fondamentale, soprattutto in condizioni criogeniche. Un’area di contatto che genera deterioramento potrebbe compromettere la trasmissione dei segnali di coppia durante i test presso SBT. Per di più, un’usura prematura potrebbe comportare danni al sistema che, nel caso dell’apparato personalizzato sviluppato per l’esperimento SHREK, si rivelerebbero estremamente costosi. Sempre in riferimento ai materiali, si è capito che i risultati migliori si potevano ottenere con superfici placcate in oro, che riducono la resistenza di contatto e la variazione durante la rotazione.

Altro aspetto essenziale che gli ingegneri di Servotecnica hanno dovuto considerare sono state le condizioni operative. La presenza di temperature estremamente basse ha aiutato a individuare problematiche quali l’incapacità dei materiali solitamente impiegati. Un ulteriore fattore preso in esame è stato l’orientamento, ovvero l’installazione orizzontale o verticale richiesta dal collettore rotante (per l’apparecchio dell’esperimento SHREK si è reso necessario un collettore rotante verticale). A seconda del piano in cui il collettore rotante viene montato, vi sono infatti precauzioni meccaniche particolari.

Servotecnica descrive la sua soluzione come relativamente semplice, di conseguenza è stato possibile consegnare il dispositivo in tempi brevi. Dato che SBT aveva già sviluppato il proprio torsiometro a freddo ed era in attesa del collettore rotante per iniziare i test, la rapidità di consegna è risultata un aspetto rilevante.

Dopo l’installazione del collettore rotante, gli esperimenti hanno portato alla risoluzione di importanti problematiche tecnologiche relative alla turbolenza, fra cui questioni di sicurezza, l’azionamento di giranti di grandi dimensioni e la rimozione del calore in condizioni di superfluido sub-raffreddato. Inoltre, sono stati raggiunti i numeri di Reynolds (Re) più alti mai ottenuti in una cella di von Kármán sia in condizioni normali che con superfluido (il numero Re è una quantità adimensionale importante nella dinamica dei fluidi, utile per prevedere i modelli di flusso in diverse situazioni). Di importanza cruciale è il fatto che le misurazioni della coppia in queste condizioni sono coerenti con quelle eseguite in celle ad acqua con un rapporto di forma simile per cui il numero Re è nettamente inferiore (due ordini di grandezza più piccolo rispetto a quello di SHREK).