Mechanics of Dense and Multiphase Flows of Granular Materials

I flussi di materiali granulari sono comuni a una grande varietà di situazioni, che vanno dagli impianti industriali (sili, tramogge, mescolatori, letti fluidi,...) ai processi naturali (valanghe, frane), e persino alla vita di tutti i giorni. Dal momento che circa metà dei beni trattati industrialmente si trovano in forma granulare, appare cruciale per ragioni sia economiche che ambientali approfondire la conoscenza del comportamento di questi materiali. Per fenomeni su larga scala, i modelli continui (ossia equazioni di conservazione chiuse da appropriate relazioni costitutive) sono l'unica soluzione possibile per trattare il flusso di polveri e grani. Dato che il tipo di flusso dipende dall'energia immessa nel sistema, è stata operata una classificazione in tre regimi: 1- il regime di flusso rapido, per flussi molto diluiti, 2- il regime quasistatico, dove i contatti tra le particelle sono assai duraturi, e 3- il regime di flusso denso, che è intermedio tra i due e che manca ancora di una descrizione soddisfacente e unitaria, nonostante i numerosi tentativi teorici. Il presente lavoro tratta della modellazione continua di flussi densi di materiali granulari. Il principale obiettivo è lo sviuppo e la validazione di modelli reologici; in particolare, si è scelto di sviluppare un modello che descrive la dinamica dell'energia cinetica fluttuante, il quale ha portato a risultati interessanti, anche in confronto a dati sperimentali e numerici, per flussi sia in geometrie confinate che a superficie libera. Si deve sottolineare che il modello è stato applicato sia a semplici geometrie di riferimento (piano inclinato, canale verticale,...) sia a geometrie su scala industriale (sili), dimostrando così l'ampia applicabilità dell'approccio. Inoltre, è stato discusso a fondo il problema di assumere condizioni al contorno realistiche, evidenziando l'importanza di scelte corrette e sviluppando una trattazione originale che considera l'effetto della rete fluttuante delle force sulla dinamica di scivolamento alla parete. Per di più, vista la possibilità di estendere l'approccio per trattare processi che comportino la coesistenza di flussi di solidi e di gas, come in reattori a letto mobile, si sono gettate le basi per una semplice descrizione dell'accoppiamento tra la reologia del solido e il flusso del gas sotto la soglia di fluidizzazione in canali verticali, con un'attenzione particolare per la maldistribuzione del gas.