Applicazione e Confronto di Modelli Computazionali Turbolenti per l'Analisi dei Fenomeni Fluidodinamici in Camera di Reazione di una Sorgente di Plasma Termico di Tipo ICP-RF per la Produzione di Nanoparticelle

Il presente studio è stato realizzato per operare un confronto, in ambito CFD, tra diversi modelli di turbolenza applicati a una geometria ridotta di torcia al plasma industriale di tipo ICP-RF, basato sul modello PL-35 di Tekna Inc. Lo studio è stato svolto all’interno del software FLUENT utilizzando delle UDF per caratterizzare le proprietà termofisiche del plasma. Il primo metodo utilizzato è un k-epsilon modificato secondo Bolot, dal quale, dopo aver validato i campi delle grandezze caratteristiche e l’attendibilità dei risultati sulla base di studi precedenti, si è ottenuto un campo simmetrico e ben delineato di turbolenza stazionaria. Il confronto con un k-epsilon standard ha chiarito il fondamentale apporto del termine sorgente aggiuntivo di Bolot per modellare correttamente la turbolenza e fornire il giusto campo di temperatura. Si sono poi utilizzati due metodi LES, WALE e Dinamico, e confrontati i risultati. La fiamma di plasma è risultata più verosimilmente realistica ma i campi di temperatura sono risultati troppo elevati nella regione a più alta temperatura, ovvero in ingresso in camera di reazione. I LES fino all’entrata in camera di reazione risultano concordi col modello k-epsilon ma successivamente la modellazione del fenomeno turbolento porta ad una elevata dissipazione di energia cinetica turbolenta che porta a valori del campo di temperatura troppo elevati. L’utilizzo invece del k-omega e del RSM, che hanno fornito campi completamente irrealistici, ha dimostrato l’inutilità di utilizzare tali metodi per sistemi simili data l’inadeguatezza dei suddetti modelli per tali sistemi. Il confronto dei modelli LES col k-epsilon rende necessario la modifica di tali modelli in un futuro per poter integrare gli effetti correttivi del termine sorgente di Bolot nel termine Cs di questi, in modo da poter unire la correttezza del modello k-epsilon con la risoluzione e il realismo tipico di questi modelli.