Analisi numerica della rottura di fibre solide in turbolenza omogenea isotropa

Un problema comune a diversi ambiti ingegneristici, e fortemente presente in quello aerospaziale, è sicuramente quello dell’interazione tra una struttura solida e il campo fluido in cui è immersa (FSI o “fluid-structure interaction”). Questo problema, già di per sé di difficile trattazione, risulta essere ancora più complesso quando si vanno ad analizzare le fratture che le forze fluido-dinamiche possono indurre sulla struttura solida: tale condizione, infatti, porta all’insorgere di singolarità nelle equazioni alle derivate parziali che solitamente si utilizzano per descrivere il problema. Per simulare e studiare questo particolare tipo d’interazione, è dunque necessario “conciliare” la dinamica che regola il fluido con la meccanica che governa il solido e la formazione di eventuali cricche all’interno di quest’ultimo, cercando , al tempo stesso, di sopperire al problema dell’insorgenza delle singolarità introdotte dalle fratture stesse; una possibile soluzione è quella di utilizzare la peridinamica per la descrizione del comportamento della struttura solida. Questa teoria consiste nell’analizzare il solido immaginandolo non come un continuo, ma come un insieme (idealmente infinito) di particelle legate tra loro: questa rappresentazione permette di considerare in modo intrinseco l’eventuale insorgenza di fratture, le quali consistono “semplicemente” nella rottura, parziale o totale, dei legami che uniscono diverse particelle. Inoltre, dal punto di vista matematico, le equazioni utilizzate sono di tipo integrale e non risentono quindi del problema di eventuali punti di singolarità. L'obiettivo del lavoro svolto, dunque, è quello di analizzare, con un lavoro di post-process, i risultati ottenuti da un programma di simulazione di FSI (sviluppato dall’Ing. Federico Dalla Barba) basato sulla teoria della peridinamica, in modo da indagare il fenomeno della rottura in un problema di interazione fluido-struttura; in particolare, il focus dell'analisi effettuata si concentra sulla caratterizzazione della formazione e propagazione di eventuali cricche su delle fibre immerse in un campo fluido turbolento. Tale caso di studio presenta diverse applicazioni d'interesse: la rottura di fibre a seguito dell'interazione con un flusso turbolento è un fenomeno comune a tutti quei processi industriali che coinvolgono la lavorazione, per l'appunto, di fibre (carta, tessuti ecc.), ma può essere utile anche per comprendere, e di conseguenza predire, in modo più accurato la dispersione negli oceani di microplastiche.