Bio-fluidodinamica - Dipartimento di Scienze Chimiche

Bio-fluidodinamica
11/08/2016
Orazio Puglisi: La Chimica e la
Fluidodinamica
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Emodinamica
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Polmoni
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La fluidodinamica: un fascino vecchio
di secoli!
Alcune immagini sono riprese da Simone Zuccher , E-mail: [email protected], Web page: http://profs.sci.univr.it/»zuccher/.
Le altre immagini sono prese dal mio archivio personale o da Internet.
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Sir Isaac Newton
Isaac Newton
Woolsthorpe-by-Colsterworth *, 4 /1/ 1643 – Londra, 31 / 3 /1727
*Woolsthorpe-by-Colsterworth è un piccolo villaggio, oggi disabitato, nella parrocchia civile di Colsterworth, nella
Contea del Lincolnshire, noto solo per essere il luogo di nascita di Sir Isaac Newton
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Woolsthorpe-by-Colsterworth
Forse Newton meritava una strada più importante …
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La grande intuizione di Isacco
Newton
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Il ruolo delle forze intermolecolari
Transizione superfluido – flusso laminare - flusso turbolento. All’aumentare della
velocità le forze intermolecolari perdono il controllo dell’intero volume.
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Giocando con Reynolds
ed aspirando la morte ….
IL SUICIDA
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Transizione laminare / turbolento
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Bilancio delle forze: Le equazioni di
Navier-Stokes (i guai cominciano qui …)
Claude-Louis Navier
(10 Febbraio 1785 – 21 Agosto 1836)
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Sir George Gabriel Stokes
(13 Agosto 1819 – 1 Febbraio 1903)
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Bisogna aggiungere ancora
due bilanci …
In aggiunta alle tre NS (una per ogni
dimensione Euclidea), vanno considerate altre
due equazioni:
- La conservazione della massa ( Equazione
della continuità di A. Einstein)
- Bilancio di energia ( caso dissipativo ).
In totale abbiamo cinque Equazioni differenziali.
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La conservazione della massa,
Equazione della continuità
Albert Einstein
Ulma, 14 Marzo 1879– Princeton, 18 Aprile 1955
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La conservazione dell’energia e la
dissipazione (altri guai …)
Daniel Bernoulli
Groninga, 29 Gennaio 1700-Basilea 27 Luglio 1782
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Difficoltà legate alle equazioni di
Navier-Stokes
Nel Maggio 2000 il Clay Mathematics Institute (Cambridge, MA, USA)
istituisce il Millennium Prize: un milione di dollari per ognuno dei sette
problemi considerati important classic questions that have resisted
solution over the years.
Tra questi, ci sono le equazioni di Navier-Stokes:
[...] Although these equations were written down in the 19th
Century, our understanding of them remains minimal. The
challenge is to make substantial progress toward a mathematical
theory which will unlock the secrets hidden in the Navier-Stokes
equations.
Il premio per le equazioni di Navier-Stokes va a chi riesce a
dimostrare tra l’altro:
Existence of Navier -Stokes solutions on R3
Existence of Navier-Stokes solutions on R3 \ Z3
Breakdown of Navier-Stokes solutions on R3
Puglisi: La Chimica e la
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Breakdown of Navier-StokesOrazio
solutions
on R3 \ Z3
Fluidodinamica
Un contributo italiano
Il Dott. Alessio Figalli nominato
vincitore del
PREMIO ANILE 2010.
Alessio Figalli
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“ … the jury has nominated
Dr. Alessio
Figalli for his impressive
contributions to the analysis of applied partial
differential equations, and more specifically to
the theories of optimal transportation,
incompressible Euler equations and HamiltonJacobi equations..”
Marcello Anile
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Approcci alternativi
...le 5 equazioni della FD sono molto complesse, ma io voglio ad ogni costo
risolvere i miei problemi pratici. Come faccio?
- Experimental Fluid Dynamics (EFD): risolviamo direttamente le
equazioni “sul campo”. Problema: costi, pericolosità, dipendenza dalla fortuna!
Quanta gente è morta a causa di questo approccio!
- Analytical Fluid Dynamics (AFD): semplifico le equazioni (problema: quali termini
scarto?) fino a quando siamo in grado di risolverle. Spesso i passaggi sono molto
elaborati e le soluzioni limitate a casi specifici.
-Computational Fluid Dynamics (CFD): risolviamo numericamente * le 5 equazioni
fondamentali della FD. Per problemi veri, malgrado le forti approssimazioni, il costo
computazionale è stratosferico e quindi l’approccio è problematico. Solo ai nostri
giorni il gioco vale la candela ... (forse)
*
Per inciso, il vero inventore del metodo numerico per la risoluzione delle equazioni differenziali è Isacco Newton. ( ancora lui: che noia!)
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Ebbene si: è un asino ma è molto
veloce! Oppure: Anche se veloce, resta un asino
Il super computer più veloce al mondo è Giapponese si chiama
Fujitsu K , capace di effettuare 8,2 quadrilioni di operazioni in
virgola mobile al secondo.
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Fluidodinamica numerica
Branca della fluidodinamica che utilizza metodi
numerici, potenza di calcolo e algoritmi efficienti
per risolvere ed analizzare problemi pratici di
interesse ingegneristico.
E però, malgrado vengano usate equazioni
semplificate e supercomputer ad alta velocità,
otteniamo solo soluzioni approssimate. Con
geometrie complesse ( esempio del flusso
completo attorno ad un velivolo o un aeromobile) la
soluzione dettagliata è tutt’ora impossibile. La
validazione del codice avviene tramite gli
esperimenti.
Quando le lunghezze caratteristiche del fenomeno
hanno uno spettro molto
ampio (turbolenza) la
Fluidodinamica
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Esperimenti sul campo
Obiettivo: riprodurre il problema reale
sul campo mediante
Gallerie del vento ( bassa velocità, alta
velocità, transoniche, supersoniche,
ipersoniche, criogeniche, orizzontali o
verticali, di piccole o grandi dimensioni) e
Gallerie “ad acqua” (= bassa velocità).
Vasche per problemi di idrodinamica.
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Caccia a decollo verticale
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Casi “comuni” …
Ala instabile su un F18
per migliorare la
maneggevolezza
durante il combattimento
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L’ala della navetta
stabilizza la rotta
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Ma perché solo tre pale?
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Ma non finisce qui ...
In molti casi (combustione e reazioni chimiche in
generale)
è
necessario
risolvere
simultaneamente alle cinque equazioni della FD
anche altre equazioni.
Queste possono descrivere la cinetica di reazioni
chimiche (per ottenere la concentrazione delle
specie in funzione dello spazio e del tempo),
scambi di calore complessi con moti convettivi e
diffusivi (anche derivanti dalla cinetica chimica),
matrici di Onsager (diffusione chimica),
flussi multi fase (compresenza di fase
liquida/gassosa, solida/gassosa
o liquida/solida),
Fluidodinamica
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Ma dov’è la Chimica?
Per descrivere le reazioni chimiche ed i flussi
multi fase, modifichiamo opportunamente
l’equazione della continuità aggiungendo i
termini reattivi e gli equilibri di ripartizione.
Più problematica la trattazione dei fluidi nonNewtoniani (sangue) e dei fluidi
compressibili.
La soluzione numerica delle equazioni della FD
nei nostri casi (chimico, biologico ed
ingegneristico) è problematica!
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Perché la chimica complica tutto?
Il processo chimico dipende fortemente dal
mezzo in cui avviene ma lo trasforma perché
cambia la composizione del fluido e quindi
anche le forze intermolecolari che sono quelle
che governano l’attrito. Inoltre la reazione
comporta anche grossi quantitativi di calore in
entrata o in uscita che, cambiando la
temperatura,
modificano
drasticamente
ancora una volta le forze intermolecolari.
L’evoluzione chimica dipende dal fluido ma ne
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Chimica e fluidodinamica:
Ci moriremo sopra?
Tipico studente di Chimica la notte prima degli esami:
Lo studio uccide? Ma cos’è il chiodo fisso?
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Ma chi ce lo fa fare?
Malgrado queste incredibili
difficoltà vale la pena studiare la
connessione Chimica - FD anche
perché la ritroviamo dappertutto:
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Consegna merci speciale …
consegna regali a circa un miliardo di bambini in una sola notte
Cas1 poco frequent1 …..
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In cucina... Fluidodinamica e Chimica
Casi molto frequenti …..
Alcune immagini sono riprese da una presentazione di Simone Zuccher dell’Università di Verona E-mail: [email protected], Web page:
http://profs.sci.univr.it/»zuccher/. Le altre immagini sono prese dal mio archivio personale o da Internet.
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Scienza, cibo, diagrammi di fase e
nucleazione e crescita
Il diagramma di fase
della …. granita
La granita alla mandorla del
Caffè Sicilia di Noto
Immagini tratte da: Dario Bressanini ,
[email protected]
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Fluidodinamica, chimica e …
bistecche : la reazione di Maillard
La presenza dell’acqua rallenta la reazione di Maillard che ha
una velocità ottimale a circa 140 °C. La diffusione dell’acqua
dall’interno verso la superficie della carne deve essere più lenta
della cinetica della Maillard.
Louis Camille Maillard
Foto tratte da: Dario Bressanini , [email protected]
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Maillard, Newton, Lindt, e …
cioccolato
Reazioni di Maillard, melanoidine, micro e nano fasi, passaggi di fase,
fluidodinamica e tanta scienza nel “cibo degli dei” .
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A proposito di Scienza in Cucina
Chi volesse approfondire l’argomento della
Scienza in cucina troverà utile contattare la
professoressa Emanuela AMATO
del Dipartimento di Scienze Chimiche
dell’Università di Catania : [email protected]
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Fluidodinamica
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In giardino...
Caso molto frequente …..
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Per le pulizie...
Caso molto frequente …..
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Fluidodinamica
35
In cantina...
Caso molto frequente …..
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Fluidodinamica ed adrenalina...
FD e Chimica in caduta libera ... Produzione di adrenalina purissima
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Fluidodinamica
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Sugli sci...
Ancora adrenalina
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Fluidodinamica
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In mare...
Alinghi in andatura di bolina
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In bici...
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In pista...
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