In meccanica dei fluidi, un flusso multifase è un flusso simultaneo di un materiale composto da due o più fasi termodinamiche. Praticamente tutte le tecnologie di lavorazione, dalle pompe e turbine cavitanti alla produzione di carta e plastica, implicano una qualche forma di flusso multifase. Lo si può osservare anche in molti fenomeni naturali.
Queste fasi possono essere costituite dallo stesso componente chimico (ad esempio un flusso combinato di acqua liquida e vapore acqueo) o da più sostanze chimiche diverse (ad esempio un flusso di olio e acqua). Una fase è considerata continua se occupa una regione di spazio connessa, mentre si parla di fase dispersa quando la fase occupa regioni di spazio disconnesse. La fase continua può essere gassosa o liquida, mentre la fase dispersa può essere costituita anche da un solido.
Si possono individuare due possibili topologie generali, flussi dispersi e flussi separati. I primi sono quelli costituiti da particelle di dimensione finita, gocce o bolle distribuite all'interno di una fase continua. I secondi sono invece definito come costituiti da due o più flussi continui di fluidi separati da interfacce.
Storia Lo studio dei flussi multifase è strettamente legato allo sviluppo della meccanica dei fluidi e della termodinamica. Una delle prime importanti scoperte fu fatta da Archimede di Siracusa intorno al 250 a.C., che intuì le leggi alla base del galleggiamento, oggi note come principio di Archimede, che viene utilizzato nella modellazione dei flussi multifase.
A metà del XX secolo, furono effettuati progressi nello studio dell'ebollizione e furono realizzati i primi modelli di caduta di pressione a due fasi, principalmente per le industrie chimiche e di trasformazione. In particolare Lockhart e Martinelli nel 1949 presentarono un modello per la caduta di pressione per attrito in un flusso bifase orizzontale separato, introducendo un parametro tutt'oggi utilizzato. Tra il 1950 e il 1960, l'intenso sviluppo dei settori aerospaziale e nucleare stimolò ulteriori studi sui flussi bifase. Nel 1958 uno dei primi studi sistematici sui flussi bifase fu intrapreso dallo scienziato sovietico Teletov, mentre Baker nel 1965 condusse studi sui regimi di flusso verticale.
Dagli anni '70 in poi, i flussi multifase sono stati studiati soprattutto nel contesto dell'industria petrolifera, a causa della crescente importanza del petrolio nell'economia mondiale.
Gli anni '80 videro ulteriori modellizzazioni dei flusso multifase, su tubi aventi diverse inclinazioni e diametro, e diverse pressioni e tipi di flussi. I progressi nella potenza di calcolo disponibile a partire dagli anni '90 hanno consentito l'ideazione di tecniche di modellazione sempre più complesse, potendo passare da modelli unidimensionali a modelli tridimensionali.
Negli anni '90 apparvero i primi progetti relativi alla tecnologia di misurazione dei flussi multifase (MFM), utilizzata per misurare la velocità del flusso delle singole fasi. L'impulso alla base di questa tecnologia fu un previsto calo della produzione dai principali giacimenti petroliferi del Mare del Nord. Fra le compagnie petrolifere che crearono i primi prototipi erano presenti BP e Texaco, ed attualmente la MFM è diventata onnipresente.
Esempi e applicazioni I flussi multifase si osservano regolarmente in molti fenomeni naturali ed anche all'interno di vari processi industriali.
In natura Il trasporto dei sedimenti nei fiumi è un esempio di flusso multifase, in cui le particelle in sospensione costituiscono una fase dispersa che interagisce con l'acqua, ossia la fase fluida continua.
Un esempio di flusso multifase su scala più piccola lo si trova all'interno di strutture porose. La modellazione dei mezzi porosi consente di utilizzare la legge di Darcy per calcolare la portata volumetrica attraverso vari tipi di mezzi porosi, come il flusso delle acque sotterranee attraverso la roccia. Ulteriori esempi si verificano all'interno degli organismi viventi, un caso molto importante è quello del flusso sanguigno (con il plasma che costituisce la fase liquida e i globuli rossi la fase solida). Un altro esempio di flusso multifase biologico lo si osserva nel tratto intestinale, con particelle di cibo solido e acqua che fluiscono simultaneamente. Anche starnuti e colpi di tosse generano dei flussi multifase (aria con goccioline di saliva e muco), il cui studio ha assunto grande importanza durante la pandemia di Covid-19.
Un ulteriore esempio di flusso multifase di grande scala è quello dei flussi piroclastici durante le eruzioni vulcaniche, costituiti da una fase fluida continua (i gas vulcanici) e una fase solida dispersa (i tefra).
Nell'industria La grande maggioranza delle tecnologia di trasformazione coinvolge una qualche forma di flusso multifase. Un esempio comune di flusso multifase nell'industria è quello del letto fluidizzato. Questo dispositivo combina una miscela solido-liquido e la fa muovere come un fluido. Ulteriori esempi includono il flusso di bolle nei reattori nucleari, il flusso di particelle di gas nei reattori a combustione e i flussi di sospensioni di fibre nell'industria della cellulosa e della carta.
Nelle industrie del petrolio e del gas, un flusso multifase spesso corrisponde al flusso simultaneo di petrolio, acqua e gas. Nell'ingegneria petrolifera, il fluido di perforazione è costituito da una fase gassosa. Inoltre, il petrolio greggio negli oleodotti è un flusso trifase gas-olio-acqua. Il termine è applicabile anche alle proprietà di un flusso in alcuni campi in cui è presente un'iniezione chimica o vari tipi di inibitori.
Anche la lavorazione del cibo, sia industriale che domestica, coinvolge solitamente qualche forma di flusso multifase.
Tipi La classe più comune di flussi multifase è quella dei flussi bifase, che possono essere gas-liquido, gas-solido, liquido-liquido e liquido-solido. Questi flussi sono i più studiati e sono di maggiore interesse nel contesto dell'industria.
Flusso bifase liquido-gas in un tubo
I modelli di flusso all'interno di tubi sono influenzati dal diametro del tubo, dalle proprietà fisiche dei fluidi e dalla loro portata. Ad esempio, all'aumentare della velocità e del rapporto gas-liquido, il "flusso a bolle" diventa un "flusso a nebbia": ad alti rapporti liquido-gas, il liquido forma la fase continua, mentre per rapporti bassi la fase dispersa. +Regimi di flusso bifase orizzontale Regime Descrizione Bolla/ flusso di bolle disperse Si verifica per grandi portate di liquido con poco flusso di gas: il gas è disperso o sospeso in bolle per tutta la fase liquida continua. Caratteristiche tipiche di questo flusso sono le interfacce delle bolle in movimento e deformate nel tempo e dello spazio, e le interazioni complesse tra le interfacce. Questo flusso può essere ulteriormente classificato in idealmente separato, bolle interagenti, turbolento agitato e a grappoli. A causa della forza di galleggiamento, le bolle tendono a muoversi verso la parte superiore del tubo. Flusso a pistone Si sviluppa all'aumentare della portata mentre il flusso di vapore viene mantenuto a una quantità bassa. All'interno della fase liquida, dove si assume che la velocità sia costante, sono presenti dei "tappi", essenzialmente bolle di gas "a forma di proiettile" che ricoprono la sezione trasversale del tubo, e che scorrono in modo intermittente nella parte superiore del tubo, a causa delle forze di galleggiabilità. Flusso stratificato e ondulato Flusso di gas e liquidi separati da un'interfaccia. Ciò si verifica quando domina la forza di gravità che provoca la stratificazione del liquido sul fondo del tubo. Comune soprattutto nelle tubazioni orizzontali o leggermente inclinate. A basse velocità si formano delle interfacce lisce, mentre a velocità maggiori compaiono delle onde. Flusso a lumaca Definito da una sequenza intermittente di 'lumache" di liquido contenenti bolle di gas disperse, alternate a bolle con una maggiore lunghezza e larghezza. Si tratta di un flusso instabile anche quando le velocità sono mantenute costanti. Flusso anulare Si verifica quando una pellicola di liquido a forma di anello ricopre la parete del canale, con il gas che invece scorre al centro. Nel caso in cui all'interno del gas siano contenute anche goccioline di liquido, questo caso è noto come flusso anulare disperso. Flusso a nebbia /nebbia dispersa Si verifica per portate di gas molto elevate. Caratterizzato da una fase dispersa sospesa all'interno di una fase continua. Nel caso del flusso gas-liquido si verifica quando le particelle di liquido sono sospese in una fase gassosa continua.
Flusso bifase verticale
Nel flusso verticale è presente una simmetria assiale, per cui i regimi di flusso sono tendenzialmente più stabili. Tuttavia, per quanto riguarda il flusso a lumaca, possono comunque verificarsi delle oscillazioni. Valgono numerose considerazioni dei flussi orizzontali, tuttavia si osserva una distribuzione più uniforme delle particelle, in quanto le forza di galleggiamento agiscono nella direzione del tubo.
Il flusso agitato (churn flow) si verifica quando il flusso a lumaca si rompe, portando a un regime instabile in cui vi è un movimento oscillatorio della fase liquida.
Il flusso anulare a ciuffi è caratterizzato da "ciuffi" di liquido all'interno del flusso anulare, che si formano presumibilmente a causa della coalescenza della grande concentrazione di goccioline provenienti dalla pellicola di liquido che ricopre il tubo. Questo regime si verifica a flussi di massa elevati.
Flusso liquido-solido Il trasporto idraulico consiste in flussi in cui le particelle solide vengono disperse in una fase liquida continua.
Le sospensioni sono classificate nelle seguenti categorie; sospensioni fini in cui le particelle sono distribuite uniformemente all'interno del liquido, e sospensioni grossolane in cui le particelle si muovono prevalentemente nella metà inferiore del tubo orizzontale a una velocità inferiore rispetto al liquido, e a una velocità significativamente inferiore rispetto al liquido in un tubo verticale.
Flusso gas-solido in un tubo Il flusso bifase gas-solido si trova comunemente in ingegneria chimica, in ingegneria energetica e in ingegneria metallurgica. Al fine di ridurre l'inquinamento atmosferico e l'erosione delle tubazioni, e di migliorare la qualità del prodotto e l'efficienza del processo, si sta diffondendo sempre più la misurazione dei parametri di flusso mediante il trasporto pneumatico (utilizzando gas ad alta pressione per generare il flusso).