Single-phase thermo-fluid dynamics under electric fields: phenomenology and technological potential

Un campo elettrico è in grado di generare tre diverse forze di volume su di un mezzo dielettrico, le quali ne possono drasticamente modificare la dinamica. In un fluido monofase, sotto l’azione di un campo in corrente diretta, la forza di Coulomb, agente sulla carica libera presente, domina sulle altre forze di natura elettrica. L’origine fisico-chimica di questa carica, di tipo ionico, e la sua interazione con le molecole neutre circostanti sono state analizzate per il fenomeno di “ion injection”, inizialmente da un punto di vista teorico. Di seguito, esperimenti atti a determinare l’efficacia del processo elettroidrodinamico in termini d’incremento dello scambio termico sono stati condotti in cinque tra i principali regimi convettivi: (i) convezione naturale su piastra scaldata, bagnata superiormente e (ii) inferiormente, (iii) convezione forzata in un condotto a sezione quadrata, scaldato da un lato, e (iv) convezione mista in un condotto di sezione anulare, uniformemente riscaldato, con flusso verticale ascendente e (v) orizzontale. Gli elettrodi di alta tensione, testati ad entrambe le polarità, sono punte di svariati materiali, ottenute per mezzo di tecniche diverse. Paragoni fra alcuni fluidi d’interesse tecnologico sono stati effettuati, ottenendo in tutti i casi rimarchevoli miglioramenti dello scambio termico convettivo, a spesa energetica trascurabile. Un’importante analogia termofluidodinamica è stata evidenziata tra getti ionici indotti dal campo elettrico e classici getti sommersi impattanti sulla superficie di scambio termico. Inoltre, una combinazione ottima di fluido di lavoro e configurazione di elettrodo per un flusso interno è stata selezionata. Fra le numerose applicazioni delle tecniche elettroidrodinamiche, ne è stata scelta una: un dissipatore termico per impieghi spaziali di tipo “cold plate”, di cui è stata fornita una soluzione progettuale con prestazioni notevolmente migliori rispetto a quanto attualmente è a disposizione dell’industria e rispettando le specifiche per il collocamento sulla Stazione Spaziale Internazionale.