Caratterizzazione di un sistema di termoregolazione PID per stimare il flusso di calore in una cella convettiva Rayleigh-Bénard

Il trasferimento di calore per convezione nei fluidi è presente in innumerevoli situazioni, dai processi industriali alla comprensione dei fenomeni naturali. In particolare, nella convezione di Rayleigh-Bénard il calore viene trasferito grazie a una forza di galleggiamento a cui il fluido è sottoposto quando viene riscaldato dal basso, mostrando una varietà di strutture e modelli geometrici, come triangoli regolari, quadrati, esagoni regolari e altro [1,2]. Studi recenti mostrano evidenze di fluttuazioni anomale del flusso di calore e di una convezione termica intermittente, dovute sia al confinamento delle goccioline che alla loro concentrazione [3,4]. Obiettivo di questa tesi è la stima del flusso di calore in una cella convettiva in configurazione Rayleigh-Bénard mediante misura accurata della potenza immessa e del corrispondente gradiente termico imposto sulla cella. A tal fine, lo studente dovrà calibrare un controllo PID, misurare una corrente associata allo scambio di calore e visualizzare il trasporto al microscopio ottico. Tale mappatura verrà condotta riempiendo la cella con liquidi diversi: un riferimento newtoniano (soluzioni acquose a diverse viscosità) e un'emulsione di olio siliconico a diverse concentrazioni di olio. [1] M. Darbouli, C. Métivier, S. Leclerc, C. Nouar, M. Bouteera, D. Stemmelen, "Natural convection in shear-thinning fluids: Experimental investigations by MRI", International Journal of Heat and Mass Transfer 95, (2016), 742–754 [2] S. Chandrasekhar and Physics, "Hydrodynamic and Hydromagnetic Stability (International Series of Monographs on Physics)", 1981. [3] F. Pelusi, M. Sbragaglia, R. Benzi, A. Scagliarini, M. Bernaschi, S. Succi, "Rayleigh–Bénard convection of a model emulsion: anomalous heat-flux fluctuations and finite-size droplet effects", Soft Matter, (2021), 3709-3721, 17(13). [4] F. Pelusi, A. Scagliarini, M. Sbragaglia, M. Bernaschi, R. Benzi, "Intermittent Thermal Convection in Jammed Emulsions", Phys. Rev. Lett., (2024), 133.