Perdite di carico in blocchi idraulici

I blocchi idraulici (manifold) vengono ampiamente utilizzati per realizzare circuiti compatti ma possono introdurre un'elevata caduta di pressione nel sistema. Il loro design è infatti orientato più al raggiungimento di dimensioni e peso minimi che alla riduzione delle perdite di carico.

Questo lavoro studia le perdite di carico nei manifold utilizzando diversi metodi: analisi fluidodinamica computazionale (CFD), formulazione semi-empirica derivata dalla letteratura scientifica, ove disponibile, e caratterizzazione sperimentale.

Lo scopo è quello di ottenere le perdite di carico quando le connessioni dei canali all'interno del collettore non sono riconducibili ai pochi casi classici studiati in letteratura, in particolare per curve a 90° (gomiti) con espansione/contrazione e intersezione non in asse dei canali.

Il confronto dei risultati ottenuti consente di tracciare alcune linee guida per la progettazione dei canali del blocco e di discutere l'affidabilità dell'analisi CFD come strumento per migliorare la progettazione di un manifold. Si è scelto di puntare prima su geometrie semplici considerando l'intersezione tra i canali del blocco con una o due curve a 90°. Questa scelta è stata motivata dalla necessità di confrontare i risultati con quelli già pubblicati in letteratura per validare l'analisi e, quindi, applicare il metodo a casistiche non discusse in precedenza.

I risultati delle simulazioni CFD mostrano che l'analisi virtuale può rappresentare il corretto andamento della caduta di pressione in tutte le diverse geometrie analizzate seguendo, a “determinata distanza”, i risultati sperimentali. La differenza tra risultati sperimentali e CFD normalmente aumenta con la portata e la caduta di pressione. Il divario è, tuttavia, piuttosto elevato e sempre con una sovrastima delle simulazioni rispetto ai risultati sperimentali.

Entrando nel dettaglio delle regole di progettazione del collettore, si possono evidenziare alcune considerazioni in merito alla possibilità di introdurre nel collettore una curva a moderata espansione (senza ottenere grandi variazioni con flusso inverso, cioè attraverso una contrazione), all'uso di intersezioni sfalsate e alla ‘forma’ da preferire (e quella da evitare) quando sono necessari due gomiti consecutivi all’interno del blocco, sempre in relazione alla distanza relativa tra le curve.

Il prossimo passo di questa ricerca è quello di analizzare cosa succede con connessioni più complesse ma realistiche per un manifold idraulico, confrontando ancora l'analisi CFD e i risultati sperimentali, e approfondendo lo studio dell'occorrenza di aerazione/cavitazione.